СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ И УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ В СЛОЯХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
METHOD FOR CONTROL OF DEFECTIVENESS AND RESILIENT DEFORMATION IN SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES LAYERS

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике, нанотехнологиям и может быть использовано для контроля при изготовлении класса гетроструктур, включая современные перспективные структуры на широкозонных материлах AlGaN/GaN и КНИ-структуры с наномикронными слоями, а также при формировании на них активных и пассивных элементов интегральных схем и дискретных приборов.
Для исследования монокристаллических гетерокомпозиций AlGaN/GaN с наноразмерными слоями известен двух- и трехкристальный метод рентгеновской дифрактометрии. Практически рентгеновская дифрактометрия основана на сравнении анализируемого монокристаллического образца с идеальным монокристаллом. Способ реализуется таким образом, что один из кристаллов (чаще идеальный монокристалл, кристалл - монохроматор, изготовленный из кристалла высокой степени совершенства) остается неподвижным, а другой вращается вокруг оси, лежащей в анализируемой кристаллографической плоскости и в перпендикулярной Брегговской плоскости. При этом фиксируется интенсивность отраженного излучения в зависимости от угла поворота вращающегося кристалла. Исследуемый кристалл должен быть выставлен в положение Лауэвской или Брэгговской дифракции. При малых поворотах анализируемого монокристалла получаются так называемые кривые качания (интерференционные максимумы отражения). При разориентировке двух кристаллов наблюдается уширение кривой качания, а когда в исследуемом кристалле имеются некие дефектные участки, кривые качания получаются в виде нескольких максимумов. По угловому расстоянию между пиками можно определить относительное изменение параметров кристаллической решетки исследуемого монокристаллического образца
x
(1-x)
y
(1-y)
Для исследования указанных гетероструктур с наноразмерными слоями в способе-аналоге в качестве монохроматора использовался монокристалл германия в отражающем положении (004) (Р.М.Имамов, И.А.Субботин, Г.Б.Галлиев. «Двухкристальная рентгеновская дифрактометрия и исследования взаимосвязи совершенства кристаллической структуры наноразмерных слоев и электрофизических свойств в псевдобинарных гетерокомпозициях AlGaAs/InGaAs» Кристаллография, 2008, том 53, №2, с.210-213). В качестве источника рентгеновского излучения использовалась рентгеновская трубка с медным анодом мощностью 1,2 кВт. Кривые качания от гетероструктур снимались Θ/2Θ-сканированием в пошаговом режиме с заданной статистикой сигнала в каждой точке измерения. Погрешность измерения интенсивности от угловой зависимости дифрагированных рентгеновских лучей была не хуже 7%. Для подавления диффузного фона в данном двухкристальном варианте использовалась система специальных щелей. В частности, благодаря использованию узкой приемной щели осуществлялось основное разделение когерентной и диффузной составляющей полного рассеяния, что позволило расширить динамический диапазон измеряемой интенсивности дифракционного рассеяния, что, в свою очередь, позволило анализировать гетероструктуры со столь тонкими слоями, не используя скользящего рентгеновского пучка.
К недостаткам метода аналога относятся:
- крайняя трудоемкость способа (на выставление двух кристаллов относительно друг друга и снятие 1-й кривой качания может потребоваться 5-6 часов времени);
- информация получается от одной системы кристаллографических плоскостей, что исключает возможность получения информации о деформации всей кристаллической решетки отдельных слоев в полном объеме. В данном случае используется отражение только от одной системы Брэгговских плоскостей - (400), параллельных поверхности гетероструктуры, а для оценки упругой деформации решетки в растущих эпитаксиальных слоях гетероструктур требуется получение информации в основном об изменении параметра решетки в азимутальном направлении, таким образом, упругую деформацию в эпитаксиальных слоях гетероструктур практически нельзя оценить;
- требует использование сложного мощного рентгеновского оборудования
В качестве прототипа выбран способ рентгеновской дифрактометрии с использованием первичного скользящего рентгеновского пучка, который рекомендуется для оценки кристаллографического несоответствия эпитаксиальных слоев и монокристаллической подложки (Д.К.Боуэн, Б.К.Таннер. «Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография», СПб, «Наука», 2002, с. 72-77) с получением ассиметричного отражения от кристаллографических плоскостей, которые составляют наибольший угол с поверхностью интерфейса подложка - эпитаксиальный слой и определяют деформацию в эпитаксиальных слоях по изменению расстояния между интерференционными максимумами от эпитаксиального слоя и подложки. Измерение проводится в геометрии скользящего падения или скользящего отражения, т.е. разделение пиков максимального отражения от подложки и слоя проводят путем поворота подложки на 180° вокруг нормали к поверхности подложки с получением двух пиков в двух геометриях:
Для скользящего падения:
Для скользящего отражения:
где θ - угол Брэгга, φ - угол между отражающей плоскостью и поверхностью образца.
Такое измерение позволяет отдельно определить δθ и δφ, что, в свою очередь, позволяет определить параметры полностью релаксированной решетки эпитаксиального слоя. Путем сложных расчетов через δθ и δφ, параметры решетки подложки и эпитаксиального слоя с использованием формулы для межплоскостного расстояния и углов тетрагональной решетки определяются релаксации решетки слоя относительно подложки.
Преимуществом данного способа по сравнению с аналогом является то, что этот способ позволяет определить несоответствие решеток как параллельное интерфейсу подложка - эпитаксиальный слой, так и перпендикулярное интерфейсу, т.е. способ позволяет для ряда случаев рассчитывать полную упругую деформацию кристаллической решетки эпитаксиальных слоев, получать некоторые данные о средней плотности дислокации в слоях. Кроме того, чем больше угол между кристаллографической плоскостью, отражение от которой анализируется, и плоскостью, совпадающей с поверхностью образца, тем большая точность измерения угла поворота базовой плоскости по отношению к Брэгговской плоскости, т.е. тем большая точность установки кристаллографической плоскости в отражающем положении, т.е. тем большая точность метода.
Используется все тот же способ двух- и трехкристальной дифрактометрии.
К недостаткам данного метода относится:
- высокая трудоемкость процесса измерения, характерная для двух- и трехкристальной рентгеновской дифрактометрии, причем в данном случае трудоемкость увеличивается, поскольку в процессе измерения осуществляется поворот образца на 180° и, скорее всего, потребуется корректировка положения образца после переустановки при съемке;
- повышенные требования при подготовке анализируемого образца - поверхность подложки должна достаточно четко совпадать с определенной кристаллографической плоскостью;
- увеличение трудоемкости процесса применительно к полупроводниковым структурам за счет прецизионной установки гетероструктур по базовому срезу;
- возможность возникновения ошибки при повороте образца на 180° требует использования сложного мощного рентгеновского оборудования;
- применение любых щелей (даже если в трехкристалльной схеме можно на последнем этапе первичного пучка поставить дополнительный сжимающий монохроматор, все равно остается узкая щель перед детектором, что для тантала дает общую сходимость-расходимость 10 угловых минут из-за дифракции на краю щели) сводит на нет все усилия по формированию строго параллельного первичного пучка;
- практически очень большая сложность в определении релаксации переходных слоев в гетероструктурах.
Таким образом, данный способ трудоемкий, требует использования мощной рентгеновской аппаратуры, что, в свою очередь, требует реализации его только в специально оборудованном помещении, не обеспечивает получения наглядной информации по кристаллографическому совершенству отдельных слоев в гетероструктурах. Для контроля многослойных гетероструктур может оказаться неоптимальным.
Техническим результатом настоящего изобретения является резкое снижение трудоемкости, расширение комплекса решаемых задач для гетероструктур, в частности анализ упругих деформаций в нескольких слоях гетероструктур, возможность выявления и наблюдения переходных слоев между подложкой и эпитаксиальным слоем, повышение точности измерения анализируемых углов, возможность использования маломощной аппаратуры с низким уровнем рентгеновского излучения, что в свою очередь не требует работы в специально оборудованных помещениях, снижение стоимости используемой аппаратуры, повышение наглядности, а следовательно, и информативности способа.
Технический результат достигается тем, что в известном способе контроля дефектности эпитаксиальных монокристаллических слоев, включающем измерение с помощью рентгеновской дифрактометрии при использовании скользящего первичного рентгеновского пучка с получением ассиметричного отражения от кристаллографических плоскостей, которые составляют наибольший угол с поверхностью интерфейса подложка-эпитаксиальный слой, и определение деформации в эпитаксиальных слоях по изменению расстояния между интерференционными максимумами от эпитаксиального слоя и подложки используют однокристальную рентгеновскую дифрактометрию с квазипараллельным рентгеновским пучком с суммарной расходимостью и сходимостью пучка 12′-24′, получают максимальное отражение путем азимутального поворота гетероструктуры вокруг нормали к ее поверхности, при этом угол падения рентгеновского пучка к поверхности должен быть в диапазоне 2,5-9°, затем производят корректировку Брэгговского угла путем изменения угла падения первичного рентгеновского пучка на кристаллографическую плоскость, совпадающую с поверхностью гетероструктуры, до получения максимального отражения и, используя систему кристаллографических плоскостей, по которым происходил рост эпитаксиальных слоев, получают одновременное отражение от аналогичных систем кристаллографических плоскостей растущих эпитаксиальных слоев и подложки, в том числе фиксируя наличие переходного слоя между ними, а для получения максимального отражения путем азимутального поворота гетерострукутры вокруг нормали к ее поверхности в случае ширкозонных гетероструктур AlGaN/GaN в Брэгговскую плоскость вводят направление <110>, для КНС-структур вводят направление <331>.
В предлагаемом способе, прежде всего, используется однокристальная дифрактометрия, что резко снижает трудоемкость самого процесса измерения, поскольку не требуется строгого выставления анализируемого образца относительно кристалла-монохроматора, а также резко снижается стоимость и сложность используемого оборудования (стоимость на порядок), в частности не требуется использование специальных щелей.
о
о
Используемый в предлагаемом способе квазипараллельный рентгеновский пучок с расходимостью и сходимостью 12'-24' (хорошо коллимированный пучок) позволяет при малой потребляемой мощности получать отражение в широком диапазоне интенсивности, а использование детектора высокой чувствительности позволяет наблюдать близколежащие пики. Это резко повышает чувствительность метода и значительно расширяет его возможности (разрешение пиков с Δθ - 1,5° и менее вплоть до 0,1°). Это, в свою очередь, позволяет фиксировать отражение от плоскостей с минимальным разворотом относительно друг друга, т.е. повышается чувствительность способа. Предлагаемый способ позволяет анализировать многослойные структуры, где постоянная решетки входящих слоев отличается друг от друга на малую величину, например у гетероструктуры типа AlGaN/GaN/AlN постоянная решетки для AlN и GaN соответственно: по оси а для AlN - 3,112 А, для GaN - 3,189 А; по оси c для AlN - 4,982 А, для GaN - 5,185 А. Это также позволяет разрешать интерференционные максимумы дифракции и анализировать переходный слой между подложкой и эпитаксиальным слоем, например, в КНС-структурах. Таким образом, при использовании более простой в эксплуатации и дешевой однокристальной дифрактометрии предлагаемый способ по существу обеспечивает возможности способа-аналога и способа-прототипа - двух- и трехкристальной дифрактометрии, сложных в эксплуатации и трудоемких способов.
В предлагаемом способе для получения максимального отражения путем азимутального поворота гетероструктуры вокруг нормали к ее поверхности в Брэгговскую плоскость вводятся определенные кристаллографические направления: для широкозонных гетероструктур AlGaN/GaN направление <110>, а для КНС-структур - направление <331>. Этим обеспечивается то, что все кристаллографические направления <113> <111> и <224> будут лежать в Брэгговской плоскости, что, в свою очередь, позволит значительно упростить ориентировку исследуемой гетероструктуры и значительно сократить трудоемкость процесса.
В предлагаемом способе путем последующей корректировки Брэгговского угла первичного рентгеновского пучка для получения отражения от системы кристаллографических плоскостей, по которым происходил начальный рост эпитаксиальных слоев, обеспечивается возможность получения одновременно отражения от системы аналогичных кристаллографических плоскостей подложки, переходного и эпитаксиальных слоев без изменения положения трубки и детектора. В случае большего решеточного несоответствия слоя и подложки, как, например, GaN на сапфир (13,9%), эпитаксиальный островковый рост начинается по кристаллографическим направлениям, где обеспечивается минимально решеточное расхождение. В частности, при росте слоев GaN на подложках сапфира с ориентацией поверхности (0001) методами высокоразрешающей электронной просвечивающей микроскопии на границе между подложкой и растущим слоем были обнаружены промежуточные прослойки {10Ĭ0} GaN и {112-0} сапфира, а затем общий рост слоя шел уже в направлении <0001> (О.Ambacher "Growth and applications of group III-nitrides" / J.Phys. D.Appi Phys., 1998, V.31, P.2653-2710). Ориентация на систему именно кристаллографических плоскостей, по которым происходит начальный островковый рост эпитаксиальных пленок, позволяет получать отражения от систем аналогичных кристаллографических плоскостей одновременно подложки, переходного слоя и эпитаксиального слоя, а использование прочих заявляемых признаков позволяет разрешать эти близколежащие интерференционные пики на дифрактограммах.
Таким образом, в предлагаемом способе используется целый ряд новых элементов (однокристальная рентгеновская дифрактометрия с квазипараллельным рентгеновским пучком с суммарной расходимостью и сходимостью пучка 12-24 угловых минут; использование системы кристаллографических плоскостей, по которым происходил начальный рост эпитаксиальных слоев и анализ интерференционной картины дифракции), что обеспечивает в сравнении с прототипом резкое снижение трудоемкости процесса при расширении комплекса решаемых задач для анализа полупроводниковых гетероструктур с субмикронными и наномикронными переходными слоями.
Предлагаемое изобретение также существенно, так как оно обеспечивает по сравнению с аналогом и прототипом:
- резкое снижение трудоемкости процесса контроля;
- возможность выявления и наблюдения переходных слоев между подложкой и эпитаксиальным слоем именно по тем плоскостям, по которым происходит рост эпитаксиального слоя и где образуется переходный слой, а не только по базовым плоскостям;
- повышение точности измерения анализируемых углов;
- возможность использования маломощной аппаратуры, что в свою очередь не требует работы в специально оборудованных помещениях;
- снижение стоимости используемой аппаратуры;
- повышение наглядности, а следовательно, и информативности способа.
Предлагаемый способ оказался оптимальным для контроля таких современных и перспективных полупроводниковых гетероструктур, как широкозонные гетероструктуры AlGaN/GaN и КНС-струкутры, которые в настоящее время широко используются для производства современных полупроводниковых ИС и дискретных приборов самого различного назначения, в частности получившие широкое распространение фотодиоды на AlGaN/GaN.
Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень», так как все элементы новизны в данной заявке не предполагают очевидности для специалистов. Необходимо отметить, что именно сочетание всех предлагаемых элементов с известной схемой скользящего падения рентгеновского луча на исследуемую поверхность дает принципиально новое построение метода контроля полупроводниковых гетероструктур с наномикронными слоями.
α
Примеры 1. В соответствии с заявляемым способом проводился контроль дефектности и упругой деформации в слоях широкозонной структуры GaN/сапфир при толщине слоя GaN 3 мкм (Таблица 1. п.2). Исходная поверхность сапфировой подложки практически совпадала с кристаллографической плоскостью сапфира (0001), разориентация составляла 0,5°. Эпитаксиальные слои выращивались методом МОС-гидридной эпитаксии (MOCVD). Контроль производился на однокристальном рентгеновском дифрактометре. Использовалось рентгеновское излучение CuK, в качестве первичного использовался квазипараллельный рентгеновский пучок с суммарной расходимостью в диапазоне 12'-24', что обеспечивалось использованием капиллярной рентгеновской оптики - линзы Кумахова. Анализируемую гетероструктуру помещали на предметный столик установки. В качестве плоскости отражения у сапфира была выбрана кристаллографическая плоскость (112-0). Рассчитываем угол падения первичного рентгеновского пучка α на поверхность образца (базисную плоскость (0001) таким образом, чтобы получился Брэгговский угол с плоскостью начального роста слоев GaN (112-0) (фиг.1). В данном случае этот угол составляет 8,83°, центр детектора в этом случае устанавливаем в положение 57° (θ). Программа учитывает, что угол падения не является Брегговским углом и сама проводит прецизионные вычисления. При полном совпадении, когда направление <112-0> лежит в Брэгговской плоскости, получаем интерференционные пики для данной плоскости на угле 29,2° по показанию детектора, который является Брегговским углом для плоскостей (112-0). Для получения максимального отражения путем азимутальных пошаговых поворотов вводим четко направление <112-0> в Брэгговскую плоскость, при этом получаем максимальный интерференционный пик от сапфировой подложки. Затем производим корректировку, поскольку базовая плоскость не точно совпадает с кристаллогрфической плоскостью (0001), путем изменения положения трубки в малых интервалах, получая таким образом максимальный пик только от сапфира.
Далее, для того чтобы получить отражение от плоскости (112-0) уже эпитаксиального слоя GaN, начинаем уменьшать угол θ, так чтобы аналогичная кристаллографическая плоскость вышла из отражения, в результате пик от сапфира на дифракционной кривой начинает уменьшаться, а появляется и возрастает до максимального положения пик от плоскостей (112-0) GaN. Устанавливаем среднее положение, когда наблюдаются два пика от подложки и эпитаксиального слоя одновременно. Далее определяем структуру промежуточного слоя. Для этого проводим пошаговый наклон Брэгговской плоскости до получения интерференционного максимума от промежуточного слоя, который смещен от пиков от подложки и эпитаксиального слоя в сторону больших углов. Это свидетельствует о том, что кристаллическая решетка промежуточного слоя находится в состоянии сжатия. По ширине пика от слоя GaN определяем степень несовершенства кристаллической решетки этого слоя.
Результаты заявленных параметров способа, в частности изменение угла падения рентгеновского пучка к поверхности при исследовании широкозонных гетероструктур, сведены в Таблицы 1 и 2 (пункт 2).
α
Пример. 2. В соответствии с заявляемым способом проводился контроль дефектности и упругой деформации в слоях кремния КНС-структуры с толщиной эпитаксиального слоя 0,3 мкм. Исходная поверхность сапфировой подложки практически совпадала с кристаллографической плоскостью сапфира (1Ĭ02), разориентация составляла 1°. При использовании кристаллографической плоскости сапфира (1Ĭ02) (r-plane) расстояние между слоями атомов кислорода сапфира близко по величине к межплоскостному расстоянию между кристаллографическими плоскостями (100) кремния. Контроль, как и в примере 1, производился на однокристальном рентгеновском дифрактометре. Использовалось рентгеновское излучение Cu K. В качестве первичного использовался квазипараллельный рентгеновский пучок с суммарной расходимостью в диапазоне 12-24, что обеспечивалось использованием капиллярной рентгеновской оптики - линзы Кумахова. Анализируемую гетероструктуру помещали на предметный столик установки. В качестве плоскости отражения у сапфира была выбрана кристаллографическая плоскость (331). Рассчитываем угол падения первичного рентгеновского пучка на поверхность образца (1Ĭ02) таким образом, чтобы получился Брэгговский угол с плоскостью (331). В данном случае этот угол составляет 12,97°, детектор в этом случае устанавливаем в положение 60° (по θ). Получаем интерференционный пик для плоскости (331). Для получения максимального отражения путем азимутальных пошаговых поворотов вводим четко направление <331> в Брэгговскую плоскость, при этом получаем максимальный интерференционный пик от сапфировой подложки. Затем производим корректировку, поскольку базовая плоскость неточно совпадает с кристаллографической плоскостью (1Ĭ02), путем изменения положения трубки в малых интервалах и получаем максимальный интерференционный пик на дифракционной кривой от сапфира.
Для получения отражения от кристаллографической плоскости (113) кремния (плоскость роста далеко расположена от базовой плоскости - при росте плоскость (123) сапфира постепенно переходит в плоскость (113) кремния) выставляем угол падения рентгеновского пучка к поверхности гетероструктуры α=2,87° и получаем интерференционный пик от этой плоскости кремния и от переходного слоя между подложкой и эпитаксиальным слоем. Положение, когда наблюдаются пики от переходного и эпитаксиального слоев, устанавливается углом трубки α (Фиг.2). Угловое расстояние между этими пиками позволяет судить об упругой деформации промежуточного слоя. По ширине пика от слоя кремния определяем степень несовершенства кристаллической решетки этого слоя.
Результаты заявленных параметров способа, в частности изменение угла падения рентгеновского пучка к поверхности при исследовании КНС-структур и оценка слоя кремния и промежуточного слоя, сведены в Таблицы 1 и 2.
Пример 3. В соответствии с заявляемым способом проводился контроль дефектности и упругой деформации в эпитаксиальных слоях широкозонной структуры AlGaN/GaN/сапфир при толщине слоя AlGaN - 280 А и GaN - 2 мкм. Исходная поверхность сапфировой подложки практически совпадала с кристаллографической плоскостью сапфира (0001), разориентация составляла 0,7°. Эпитаксиальные слои выращивались методом МОС-гидридной эпитаксии (MOCVD). Контроль, как и в примерах 1 и 2, производился на однокристальном рентгеновском дифрактометре. Анализируемую гетероструктуру помещали на предметный столик установки. В качестве плоскости отражения у сапфира была выбрана кристаллографическая плоскость (112-0). Рассчитываем угол падения первичного рентгеновского пучка α на поверхность образца (базисную плоскость (0001)) таким образом, чтобы получился Брэгговский угол с плоскостью начального роста слоев GaN (112-0) - 8,83°, центр детектора в этом случае устанавливаем в положение 57° (θ). Программа учитывает, что угол падения не является Брегговским углом и сама проводит прецизионные вычисления. Далее аналогично примеру 1 проводим ряд действий и получаем интерференционные пики для слоев GaN и AlGaN (фиг.3).
Остальные примеры реализации заявляемого способа сведены в Таблицы 1, 2.
Таким образом. Как видно из примеров (Таблицы 1 и 2), использование заявляемого способа позволяет достаточно стабильно оценивать наличие переходного (промежуточного) слоя между подложкой и эпитаксиальным слоем, в отдельных случаях судить о толщине этого слоя, оценивать его состояние, например наличие деформации сжатия в слое, быстро производить оценки структурного совершенства эпитаксиальных слоев по величине ширины на полувысоте дифракционных кривых от эпитаксиальных слоев.
Эффективность предлагаемого способа контроля по сравнению с прототипом и аналогом заключается в следующем:
- резкое снижение трудоемкости процесса контроля от нескольких часов до 30-40 минут;
- решение экологических проблем за счет использования установок с малой мощностью, что не требует работы в специально оборудованном помещении;
- снижение себестоимости используемых рентгеновских установок.