УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СЛОЕВ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ

Заявленное техническое решение относится к области измерительной техники, а именно к неразрушающему контролю электрофизических параметров эпитаксиальных слоев полупроводников, выращенных на диэлектрических подложках, и может быть использовано в технологии микроэлектроники для контроля параметров эпитаксиальных слоев кремния в структурах «кремний на диэлектрике» и в частности в структурах «кремний-на-сапфире» (КНС).
18
20
-3
Технология КНС-структур является одним из наиболее динамично развивающихся направлений полупроводникового материаловедения. Однако проблема обеспечения высоких электрофизических и функциональных параметров приборов на их основе, а также их радиационной стойкости и надежности в существенной мере определяется высокой дефектностью приборных слоев кремния. Для структур «кремний-на-сапфире» эта дефектность обусловлена, в частности, различием кристаллографического строения кремния и сапфира, а также автолегированием кремниевого эпитсаксиального слоя алюминием из сапфировой подложки до концентраций 10-10 см.
В настоящее время в технологии микроэлектроники практически повсеместно для оценки дефектности кремниевых эпитаксиальных слоев в структурах КНС используют косвенные медоды контроля, основанные на использовании тестовых МОП-структур (в частности, МОП-конденсаторов и МОП-резисторов), что является дорогостоящей и не очень информативной процедурой.
В связи с этим решение проблемы контроля качества эпитаксиальных слоев кремния в структурах КНС и в частности оценка уровня дефектности слоев кремния с использованием неразрушающего и оперативного контроля приобретает особую актуальность.
Этот контроль, по возможности, должен как можно меньше травмировать эпитаксиальный слой (то есть способ должен быть неразрушающим) или же вообще быть бесконтактным.
Известно устройство контроля дефектности эпитаксиальных слоев кремния на диэлектрических подложках с использованием СВЧ-метода регистрации фотопроводимости кремниевого слоя [1].
В рассматриваемом устройстве имеется измерительная камера с держателем, на котором крепится образец - структура «кремний-на-сапфире» (КНС). СВЧ-излучение частотой 36,4 ГГц и мощностью не менее 50 мВт от генератора на диоде Ганна через волноводный вентиль и циркулятор вводится в измерительное устройство, в котором находится образец. Отраженное от образца СВЧ-излучение через тот же циркулятор поступает на СВЧ-детектор, работающий в режиме линейного детектирования. Выделенный детектором сигнал поступает на широкополосный усилитель, который отсекает постоянную составляющую сигнала и усиливает только импульсный сигнал, обусловленный нестационарной фотопроводимостью. По картине изменения амплитуды сигнала и характеру его временной формы - формы спада фотопроводимости - осуществляют оценку качества структуры КНС в сравнении с аналогичным тестовым образцом.
Устройство имеет следующие недостатки:
- достоверно оценить качество кремниевого слоя весьма затруднительно, поскольку амплитуда и характер спада нестационарной фотопроводимости зависит не только от дефектности слоя кремния, но и от других процессов, контролирующих изменение заряда на поверхности и границе раздела «кремний-сапфир»;
- устройство не позволяет даже приблизительно оценить характер распределения дефектов в кремниевом слое.
Известно также устройство контроля структурных дефектов в эпитаксиальных слоях кремнии, в котором объект, помещенный в измерительную камеру, облучают зондирующим ИК-излучением с длиной волны λ=1,1÷5,0 мкм, регистрируют интенсивность прошедшего через объект зондирующего ИК-излучения и по калибровочной зависимости интенсивности прошедшего через объект зондирующего излучения от концентрации структурных дефектов определяют интегральную оценку концентрации структурных дефектов в объекте [2].
Величина потока ИК-излучения, проходящего через объект (кремниевую пластину), имеет корреляционную связь с рядом электрофизических параметров, влияющих на процент выхода годных тестовых элементов (транзисторных сборок или интегральных микросхем), изготовленных на этих пластинах, и в частности - с концентрацией структурных дефектов.
>g
Такая корреляционная связь обусловлена тем, что поглощение ИК-излучения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника (E<E=1,12 эВ, что соответствует длине волны λ=1,1 мкм), характеризует структурно-примесное состояние кремниевой пластины.
Поглощение ИК-излучения с длиной волны λ≥1,1 мкм происходит в результате ионизационных процессов, протекающих в объеме кремниевой пластины. Наличие дефектов и всего комплекса примесей, в том числе и с малой концентрацией в структуре полупроводника, приводят к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней с энергией ионизации Е≈1/2 Eg, способных поглощать ИК-излучение с λ≥1,1 мкм. Кроме того, данные уровни после ионизации становятся центрами, обеспечивающими непрямой переход «зона-зона», что также приводит к росту поглощения ИК-излучения.
К недостаткам устройства следует отнести невозможность прямой визуализации распределения структурных дефектов: способ позволяет лишь произвести интегральную оценку уровня структурных дефектов на основании сопоставления интенсивности прошедшего через объект ИК-излучения с выходом годных приборов для данной области объекта измерения.
Кроме того, результаты регистрации оказываются неоднозначными, так как на выход годных тестовых элементов влияет не только структурное совершенство объема объекта, но и качество подготовки поверхности пластины, а также параметры технологии формирования тестовых элементов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство контроля параметров полупроводниковых слоев на диэлектрических подложках, включающее в себя измерительный блок, состоящий из металлического кольцевого электрода с отверстием, металлического держателя образца, причем держатель имеет возможность перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях, источника облучения образца ИК-импульсами и устройства детектирования интенсивности отраженного от поверхности образца наведенного облучением сигнала [3].
вых
деф
деф
деф
(эт)
Данное техническое решение предусматривает регистрацию амплитуды U наведенного ИК-импульсами сигнала (фото-ЭДС), расчет относительной дефектности эпитаксиального слоя N и сравнение рассчитанного значения N с известным значением N эталона сравнения, сигнала используют, при этом относительную дефектность полупроводникового слоя рассчитывают из соотношения:
вых
вых (min)
деф (эт)
деф
U/U=N/N,
вых (min)
выx
где: U - минимальное из зарегистрированных значений U.
Сущность рассматриваемого технического решения заключается в следующем. При воздействии на структуру КНС импульсным световым потоком с длиной волны λ=380÷630 нм со стороны эпитаксиального слоя в последнем происходит избыточная генерация неосновных носителей заряда (ННЗ). При этом поверхность эпитаксиального слоя должна быть чистой и не содержать естественного окисного слоя во избежание неконтролируемой рекомбинации ННЗ в процессе контроля. В периоды импульсной засветки происходит генерация-рекомбинация ННЗ на дефектах эпитаксиального слоя вплоть до установления режима стационарности. При определенных условиях длительности импульсов засветки и их скважности амплитуда наведенной фото-ЭДС и кривая спада фотопроводимости могут быть измерены и зарегистрированы.
Конкретная длина волны светового потока λ выбирается из условия обеспечения проникновения излучения на всю глубину эпитаксиального слоя. Поскольку для кремниевых эпитаксиальных слоев в структурах КНС типичный диапазон толщин составляет от десятых долей до единиц микрон, для контроля по предлагаемому способу вполне достаточно использовать источник, генерирующий излучение с длиной волны λ в диапазоне 380÷480 нм.
1
2
Экспериментально установлено, что при воздействии на КНС-структуру импульсами излучения с длиной волны λ=380÷630 нм с длительностью импульсов τ=50÷100 мкс и скважностью τ=250÷500 мкс оказывается возможным выделить и с достаточной точностью измерить амплитуду наведенной фото-ЭДС.
1
вых
При длительности импульсов засветки τ<50 мкс кривая спада фотопроводимости не достигает режима стационарности, и величина регистрируемого сигнала U становится неоднозначной.
вых
вых
При длительности импульсов засветки τ>100 мкс достоверность контроля резко снижается, так как в этом случае начинается процесс экспоненциального снижения амплитуды U из-за саморазряда емкости, образованной кольцевым электродом и эпитаксиальным слоем кремния. Учет такого снижения амплитуды U требует применения специальных методов регистрации и обработки регистрируемого сигнала, что приводит к значительному аппаратному усложнению контроля, увеличению длительности контроля, не приводя при этом к увеличению точности и достоверности результатов контроля.
2
деф
Диапазон величин скважности импульсов τ=250÷500 мкс выбран из условия обеспечения полной рекомбинации ННЗ на дефектах эпитаксиального слоя даже при максимальных значениях относительной дефектности N.
2
вых
При скважности импульсов τ<250 мкс процесс рекомбинации ННЗ протекает в режиме, не соответствующем стационарному, т.е. неосновные носители заряда не успевает полностью рекомбинировать на дефектах эпитаксиального слоя, и это приводит к накопительному эффекту при регистрации амплитуды U наведенной фото-ЭДС и искажению результатов контроля.
2
вых
При увеличении скважности τ более 500 мкс за счет увеличения влияния переходных процессов в емкости, образованной кольцевым электродом и эпитаксиальным слоем кремния, происходит искажение формы кривой спада фотопроводимости, что существенно затрудняет регистрацию амплитуды выходного сигнала U.
вых
В режиме стационарности величина выходного сигнала U для структур КНС может быть выражена как:
вых
Т*
i
U≈ϕln(1+Δn/n),
Т
где: ϕ - температурный потенциал;
i
n - собственная концентрация носителей заряда в кремнии вследствие высокой концентрации дефектов на границе «эпитаксиальный слой кремния - сапфир»;
Δn - избыточная концентрация ННЗ, генерируемая импульсным источником света.
В свою очередь, избыточная концентрация носителей заряда Δn может быть выражена как:
*
эфф
Δn≈Gτ,
где: G - темп генерации электронно-дырочных пар;
эфф
τ - эффективное время жизни ННЗ в эпитаксиальном слое кремния.
эфф
S
V
Эффективное время жизни τ для эпитаксиальных слоев кремния в структурах КНС можно выразить через поверхностную τ и объемную τкомпоненты времени следующим образом:
эфф
S*
V
S
V
τ=(ττ)/(τ+τ).
S
V
эфф
деф
Так как величина поверхностной составляющей τ времени жизни ННЗ всегда для структур КНС будет много больше объемной составляющей τ, эффективное время жизни τ является величиной, непосредственно зависящей от относительной дефектности N в объеме эпитаксиального слоя кремния вблизи границы «кремний-сапфир», т.е.:
эфф
деф
вых
τ≈1/N≈U.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет косвенно оценивать качество эпитаксиального слоя кремния (относительную концентрацию дефектов в объеме эпитаксиального слоя на границе «кремний-сапфир») по величине амплитуды наведенной в эпитаксиальном слое кремния фото-ЭДС.
К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную достоверность результатов измерения при контроле полупроводниковых слоев с высокой концентрацией носителей заряда.
вых
Это обусловлено тем, что при измерении слоев с высокой концентрацией носителей заряда ННЗ не успевает полностью рекомбинировать на дефектах эпитаксиального слоя, и это приводит к накопительному эффекту при регистрации амплитуды U наведенной фото-ЭДС и искажению результатов измерения.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении достоверности метода измерения при контроле полупроводниковых слоев с высокой концентрацией носителей заряда.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве контроля параметров полупроводниковых слоев на диэлектрических подложках, включающем в себя измерительный блок, состоящий из металлического кольцевого электрода с отверстием, металлического держателя образца, причем держатель имеет возможность перемещения в горизортальном и вертикальном направлениях, источника облучения образца ИК-импульсами и устройства детектирования интенсивности отраженного от поверхности образца наведенного облучением сигнала, с целью повышения чувствительности метода измерительный блок дополнительно содержит игольчатый металлический электрод, проходящий через отверстие в кольцевом электроде, причем расстояние от поверхности образца до игольчатого электрода составляет от 100 до 200 мкм.
Минимальное расстояние игольчатого электрода от поверхности образца обусловлена исключением возможности возникновения коронного разряда между образцом и электродом, а максимальное расстояние определено экспериментально и ограничено верхней границей поверхности кольцевого электрода.
Пример конкретного выполнения полезной модели
Пример конкретного выполнения предложенного технического решения поясняется фиг. 1, где:
1 - источник излучения (фотодиод);
2 - световой поток;
3 - кольцевой электрод;
4 - металлический кольцевой держатель;
5 - эпитаксиальный слой кремния;
6 - сапфировая подложка;
7 - металлическая основа;
8 - игольчатый металлический электрод;
h - расстояние от кольцевого электрода до поверхности эпитаксиального слоя, мкм;
вых
U - регистрируемый сигнал, мВ.
На установке, измерительный блок которой приведен на фиг. 1, проводились измерения поверхностной фото-ЭДС в структурах КНС. В качестве образца использовали структуры КНС ∅ 100 мм, эпитаксиальный слой кремния которой имел n-тип-проводимости и толщину 0,3 мкм.
Структура помещалась на специальный металлический кольцевой держатель 4. Сам держатель располагался на металлической базовой поверхности 7 устройства. Над эпитаксиальным слоем 5 на расстоянии h~200 мкм от его поверхности располагался кольцевой электрод 3 с отверстием для обеспечения засветки поверхности эпитаксиального слоя импульсным световым потоком 2 от фотодиода 1, который генерировал излучение с длиной волны λ=420 нм.
Процесс измерения осуществлялся следующим образом.
1
2
1
2
Образец облучался световым потоком 2 импульсами длительностью τ=50 мкс и скважностью мпульсов τ=250÷260 мкс, а в промежутках между τ и τ на игольчатый электрод 8 подавали электрический потенциал ~3 кВ.
вых
При этих условиях наведенные световым потоком ННЗ успевют полностью рекомбинировать на дефектах эпитаксиального слоя, и это не приводит к накопительному эффекту при регистрации амплитуды U наведенной фото-ЭДС и искажению результатов измерения.
вых
вых
Происходящие в эпитаксиальном слое 5 при импульсном облучении образца фотоэлектрические процессы посредством емкостной связи преобразовывались в изменяющийся во времени электрический потенциал U на кольцевом электроде 3, который регистрировался электронной схемой, а регистрируемая амплитуда выходного сигнала U поверхностной фото-ЭДС подвергалась последующей цифровой обработке.
вых
Диапазон регистрируемых значений U в различных точках образца менялся от 0,1 до 10,0 мВ.
Измерения проводились по поверхности эпитаксиального слоя структуры КНС с локальностью до 2 мм с шагом локальности до 10 мм (исключая краевую зону 3 мм). При этом время измерения в одной точке поверхности (включая перемещение кольцевого держателя 4 с расположенным внутри его образцом от точки к точке) не превышало 0,2 сек, а количество измеряемых точек на поверхности образца составляло 60.
Таким образом, весь процесс контроля структуры КНС, включая химическую обработку образца перед контролем, установку образца в кольцевом держателе, контролируемое перемещение образца, регистрацию и обработку регистрируемого сигнала на ЭВМ и его визуализацию в виде топограммы распределения относительной дефектности по поверхности структуры, занял не более 5 мин.
Процесс измерений являлся полностью бесконтактным и неразрушающим.
Проведенные измерения показали хорошую сходимость результатов измерения с данными, полученными методом абсолютной оценки уровня дефектности эпитаксиального слоя кремния [4].
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает повышение достоверности метода измерения при контроле полупроводниковых слоев с высокой концентрацией носителей заряда, в частности при контроле дефектности эпитаксиального слоя кремния на границе «кремний-сапфир».
Источники информации
1. П.А. Бордовский, А.Ф. Булдыгин, Н.И. Петров, С.Н. Речкунов, В.А. Самойлов.
Контроль качества структур КНС СВЧ методом. - «Микроэлектроника», 2008, т. 37, №2, с. 101-110.
2. Патент РФ №2009573 от 22.04.1991 г.
3. Патент РФ №2515415 от 30.11.2012 г. - (прототип).
4. Патент РФ №2436076 от 28.04.2010 г.