СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ
METHOD TO DETECT STRUCTURAL DEFECTS IN SILICON

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области неразрушающего контроля параметров полупроводниковых материалов с использованием электромагнитных или акустических волн, а также потоков различных частиц, и может быть использовано для выявления и анализа структурных дефектов (ростовых микродефектов, частиц второй фазы, дислокации, свирл-дефектов и др.) в кремниевых слитках перед разрезанием слитков на пластины.
Известен способ выявления структурных дефектов, согласно которому в исследуемый объект вводятся ультразвуковые колебания в импульсном или непрерывном режимах (с помощью пьезоэлектрического преобразователя сухим контактным, контактным через жидкую среду или бесконтактным способом через воздушный зазор с помощью электромагнитно-акустического преобразователя), регистрируют амплитуды и координаты эхо-сигналов, образованных возникающими в объекте упругими волнами, обрабатывают данные на компьютере и получают на дисплее двумерные ультразвуковые изображения дефектов в объеме объекта [1].
Данный способ относится к ультразвуковой дефектоскопии и основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте, которые оказываются зависимыми от дефектности и неоднородности структуры объекта.
Способ имеет следующие недостатки:
- необходимость акустического контакта преобразователя с объектом контроля;
- повышенные требования к чистоте поверхности изделия, влияние сторонних шумов на результаты измерений, воздействие температуры изделия и др.;
- низкая чувствительность и невозможность визуализации мелких структурных дефектов.
Известен также способ выявления структурных дефектов, включающий облучение объекта рентгеновскими лучами и регистрацию прошедших через объект (или отраженных от объекта) рентгеновских лучей [2].
Данный способ относится к рентгеновской топографии и заключается в следующем.
Осуществляя дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах («на просвет» или «на отражение») в специальных рентгеновских камерах, получают рентгенограмму - дифракционное изображение кристалла, называемое в структурном анализе топограммой. Физическую основу рентгеновской топографии составляет дифракционный контраст в изображении различных областей кристалла в пределах области когерентности рентгеновского луча. Этот контраст формируется вследствие различий интенсивностей или направлений лучей от разных точек кристалла в соответствии с совершенством или ориентацией кристаллической решетки кристалла в этих точках.
Эффект, вызываемый изменением хода лучей, позволяет оценивать размеры и дезориентацию элементов субструктуры (фрагментов, блоков) в кристаллах, а различие в интенсивностях пучков используется для выявления дефектов упаковки, дислокации, сегрегации примесей и т.п.
Данный способ характеризуется высокой разрешающей способностью и чувствительностью, а также возможностью исследования объемного расположения дефектов в сравнительно крупных по размеру кристаллах (размером в десятки сантиметров).
Преобразование рентгеновских изображений в видимые с последующей их передачей на телевизионный экран позволяет осуществлять контроль дефектности кристаллов в процессе исследовании их свойств.
К недостаткам данного способа следует отнести:
- необходимость использования громоздкой рентгеновской аппаратуры;
- невозможность прямой визуализации распределения структурных дефектов в объеме кристалла (по интенсивности отраженного рентгеновского луча оценивается лишь концентрация дефектов, т.е. осуществляется интегральная оценка структурного совершенства кристаллов).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выявления структурных дефектов в кремнии, включающий облучение объекта зондирующим ИК-излучением с длиной волны λ=1,1÷5,0 мкм, регистрацию интенсивности прошедшего через объект зондирующего ИК-излучения и интегральную оценку концентрации структурных дефектов в объекте по калибровочной зависимости интенсивности прошедшего через объект зондирующего излучения от концентрации структурных дефектов [3].
Сущность способа заключается в следующем. 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, приводит к появлению в запрещенной зоне энергетических уровней с энергией ионизации Е≈4/2 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 способа 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 оказывается 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.
Задачей изобретения является обеспечение прямой визуализации распределения структурных дефектов в объеме кремния.
1
n
1
1
2
2
2
2
n
2
n
max
mах
n
Это достигается тем, что в способе выявления структурных дефектов в кремнии, включающем облучение объекта в n-точках (где n≥1) непрерывным зондирующим ИК-излучением L с длиной волны λ≤5,0 мкм, регистрацию интенсивности I прошедшего через объект излучения L и математическую обработку результатов регистрации, объект дополнительно облучают пересекающим излучение L импульсным ИК-излучением L с длиной волны λ=1,0÷1,3 мкм, длительностью импульса Δτ=1 мс и частотой следования импульсов ω=0,6÷1,0 мкс, регистрацию интенсивности I осуществляют в период между импульсами излучения L, а визуализацию распределения структурных дефектов в объеме объекта осуществляют по отношению I/I, где I - максимальное из зарегистрированных значений I.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование ИК-контраста зондирующего излучения, модулированного величиной поглощения избыточных носителей заряда, генерируемых импульсным возбуждающим ПК-излучением, на структурных дефектах слитка кремния.
1
2
2
2
2
2
Сущность способа заключается в следующем. Дополнительное облучение объекта пересекающим излучение L импульсным ИК-излучением L с длиной волны λ=1,0÷1,3 мкм, длительностью импульса Δτ=0,8÷1,0 мс и частотой следования импульсов ω=0,6÷1,0 мкс приводит к тому, что вдоль траектории луча L происходит генерации неосновных носителей заряда.
2
2
Длина волны λ=1,0÷1,3 мкм излучения L соответствует самому началу края фундаментального поглощения в кремнии. Вблизи края фундаментального поглощения существует спектральный интервал, в котором фундаментальное поглощение становится уже достаточно малым, а другие механизмы поглощения (поглощение на свободных носителях заряда, решеточное поглощение, поглощение на примесных электронных переходах, размытие края поглощения за счет встроенных электрических и деформационных полей, а также рассеяние света) тоже дают достаточно малые коэффициенты поглощения. Суммарный коэффициент поглощения в этом случае оказывается настолько малым, что им можно пренебречь по сравнению с поглощением на крупных структурных дефектах, таких как дислокации, границы зерен, свирл-дефекты и т.п.
2
2
2
2
n
2
1
2
max
Таким образом, облучая объем кремния импульсным ИК-излучением L с длиной волны λ=1,0÷1,3 мкм, длительностью импульса Δτ=0,8÷1,0 мс и частотой следования импульсов ω=0,6÷1,0 мкс, обеспечивается генерация избыточных неосновных носителей заряда, которые поглощаются в основном структурными дефектами, а интенсивность поглощения I регистрируется по интенсивности пересекающего луч L зондирующего прошедшего через n-точку кремния луча L в период между импульсами излучения L. При этом максимально зарегистрированное значение интенсивности I будет соответствовать минимальному поглощению избыточных неосновных носителей заряда на дефектах структуры, т.е. такой n-точке объема объекта, в которой структурные дефекты отсутствуют или их концентрация пренебрежимо мала.
2
2
2
1
Выбор диапазона длительностей импульсов Δτ=0,8÷1,0 мс обусловлен тем, что за такой промежуток времени концентрация генерируемых лучом L носителей заряда в кремнии достигает максимума, т.е. режим генерации носителей становится стационарным. Выбор диапазона частот следования импульсов ω=0,6÷1,0 мкс обусловлен условием полного поглощения избыточных неосновных носителей заряда на дефектах структуры, которое изменяет интенсивность зондирующего луча L при прохождении через дефектную область кремния.
Новизна заявляемого изобретения обусловлена тем, что для достижения задачи изобретения (обеспечение прямой визуализации распределения структурных дефектов в объеме кремния) используется интенсивность зондирующего ИК-излучения, модулированная величиной поглощения избыточных неосновных носителей заряда, генерируемых импульсным возбуждающим ИК-излучением, на структурных дефектах слитка кремния.
Сущность способа поясняется фиг. 1, где:
1 - квадратированный слиток кремния;
2
2 - ИК-лазер импульсного возбуждающего излучения с длиной волны λ=1,0÷1,3 мкм;
2
3 - входящий в слиток луч импульсного возбуждающего излучения L;
2
4 - прошедший через слиток луч импульсного возбуждающего излучения L;
1
5 - ИК-лазер потока непрерывного зондирующего излучения с длиной волны λ≤5,0 мкм;
6 - ИК-фотоприемник зондирующего излучения;
1
7 - входящий в слиток поток лучей зондирующего излучения L;
1
8 - прошедший через слиток поток лучей зондирующего излучения L;
1
9 - проекция следа входящего потока лучей излучения L на поверхность слитка;
1
10 - проекция следа выходящего потока лучей излучения L на поверхность слитка;
1
2
11 - плоскость пересечения потоков излучения L и L в объеме слитка.
Пример конкретного выполнения.
Топографирование распределения структурных дефектов по предлагаемому способу проводилась на объекте, в качестве которого был использован квадратированный монокристаллический слиток кремния марки КДБ-10 (111)-4°. Размеры слитка составляли 175×175×600 мм.
Слиток кремния 1 был закреплен на станине испытательного стенда, имеющего прецизионные устройства горизонтального и вертикального перемещения габаритных объектов и стандартный набор датчиков 6 и аппаратуры для регистрации и обработки ИК-сигналов. Датчики 6 представляли собой матрицу из 144 ИК-фотоприемников, сигнал с которых обрабатывался на персональном компьютере с последующей визуализацией топограммы распределения интенсивностей регистрируемых сигналов в виде гистограммы распределения плотности структурных дефектов.
1
На станине также дополнительно были размещены источник импульсного возбуждающего излучения 2 (твердотельный иттербиевый лазер с длинной волны λ=1,26 мкм и эффективностью ~ 80%) и коллиматорная система на основе линз Френеля, сформированных на пластинах из германия, обеспечивающая получение плоского луча 3 размером 150×1 мм.
2+
2
В качестве источника непрерывного зондирующего ИК-излучения 5 использовалась матрица из 12 шт. твердотельных (Fе:ZnSe)-лазеров мощностью ~50 мВт, каждый из которых был настроен на непрерывный режим генерации излучения с длиной волны λ=3,7 мкм. С целью предотвращения перегрева лазеров использовалась система охлаждения на базе элементов Пельтье.
2
Слиток 1 последовательно облучали импульсами 3 излучения L в течение 0,5 с, осуществляя за этот период времени 200÷300 измерений интенсивности, которые после математической обработки и усреднения выводились на дисплей персонального компьютера в виде топограммы распределения дефектов структуры в плоскости 11 слитка.
Перемещая последовательно слиток в горизонтальном направлении на 1,0 мм и осуществляя вышеуказанную последовательность процедур, за 1÷2 мин измерения получали серию (150÷170 шт.) топограмм распределения структурных дефектов в слитке вдоль траектории лучей 7.
Одну и ту же область слитка многократно (до 10 раз) контролировали по данному способу, последовательно сравнивая полученные топограммы. Результаты сравнения показали практически полную идентичность топограмм, что подтверждает достоверность результатов измерения.
Таким образом, заявляемый способ позволяет визуализировать топограмму распределения структурных дефектов в объеме кремния, что обеспечивается обработкой результатов измерения интенсивности зондирующего ИК-излучения, которое оказывается модулированным величиной поглощения избыточных носителей заряда, генерируемых импульсным возбуждающим ИК-излучением, на структурных дефектах слитка кремния.
Источники информации
1. Патент РФ №2179313 от 13.07.1999 г.
2. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография (пер. с англ.) / Д.К.Боуэн, Б.К.Таннер. - СПб.: Наука, 2002. - 274 с.- ISBN 5-02-024963-7.
3. Патент РФ №2009573 от 22.04.1991 г. - прототип.