СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОСТАВА И КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF COMPOSITION AND CRYSTALLOGRAPHIC PARAMETERS OF SEMICONDUCTOR EPITAXIAL HETEROSTRUCTURES

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике, наноэлектронике и может быть использовано для исследования строения и состава полупроводниковых гетроструктур, включая современные перспективные структуры на широкозонных нитридных материалах (AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN и др.) с субмикронными и нанометровыми слоями, с элементами сверхрешеток, а также для входного контроля гетероструктур при формировании на них активных и пассивных элементов интегральных схем и дискретных приборов.
Для исследования монокристаллических многослойных структур обычно используется высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия, реализуемая с помощью двух- и трехкристальных дифрактометров со снятием кривых качания (Д.К. Боуэн, Б.К. Таннер «Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография», С-П, «Наука», 2002).
Аналогом может служить способ рентгеновской двухкристальной дифрактометрии, включающий сканирование образца в пошаговом режиме в условиях отражения Брэгга (Enisherlova, K. L., Imamov, R. M., Subbotin, I. M., Rusak, T. F., Temper, E. M. (2008, April). The spatial features AlxGa 1-xN/GaN heterostructure. In Micro-and Nanoelectronics 2007 (Vol.7025, p.702518). International Society for Optics and Photonics). К недостаткам метода можно отнести:
- метод требует использования целого ряда сложных и дорогих приспособлений: сверхточного гониометра, щелей, кристалла-монохроматора (дорогостоящее оборудование), а также мощного рентгеновского излучения;
- существует радиационная опасность при использовании мощного рентгеновского оборудования, работы могут проводиться только в специально оборудованных помещениях (экологическая опасность);
- сложность юстировки щелей, монохроматоров, точной установки образца резко повышает трудоемкость процесса;
- невозможность получения полного объема информации, например, с гетероструктур с элементами сверхрешетки, так как в двухкристальном варианте лучи, отраженные от сильно развернутых плоскостей, отсекаются монохроматорами.
Таким образом, ограничивается возможность исследования сильно нарушенных областей гетероструктур методом-аналогом.
В качестве прототипа выбран способ диагностики полупроводниковых гетероструктур, включающий использование рентгеновской однокристальной дифрактометрии с мощностью трубки от 5 до 10 Вт с немонохроматическим, квазипараллельным пучком рентгеновских лучей и позиционно-чувствительным детектором с угловой шириной окна от 10° до 15°, и сканирование образца в условиях брэгговского отражения в пошаговом режиме (Патент №2498277, опубликован 10.10.2013 г.«Способ диагностики полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур». Авторы Енишерлова-Вельяшева К.Л., Лютцау А.В., Русак Т.Ф.).
Преимуществом данного способа по сравнению с аналогом является:
- снижение трудоемкости процесса за счет использования однокристальной дифрактометрии, поскольку не требуется предварительная строгая ориентация при установке анализируемого образца;
- резкое снижение стоимости (стоимость на порядок) и сложности используемого оборудования, в частности, не требуется использование монохроматора, специальных щелей;
- использование рентгеновской трубки с мощностью на два порядка ниже, чем в аналоге, что не требует работы в специально оборудованном помещении.
Резкое снижение мощности возможно за счет использования поликапиллярной оптики, формирующей множество отражений при критическом угле падения лучей рентгеновского пучка на поверхность капилляров. При попадании лучей первичного рентгеновского пучка на внутреннюю поверхность поликапилляров под углом меньше френелевского «критического угла» обеспечивается их полное внешнее отражение. За счет этого излучение передается с высокой эффективностью и низкими потерями. Все это позволяет использовать трубки, обладающие при высокой удельной яркости очень малой мощностью (1-15 Вт), так что уровень радиационного фона не превышает природный, что делает работу крайне удобной и безопасной;
- расширение возможности использования цифрового массива данных для каждого единичного эксперимента в результате использования позиционно-чувствительного детектора с угловой шириной окна 15°.
К недостаткам метода относится следующее:
- невозможность корректной оценки структурного совершенства исследуемых слоев при этом методе по единичной дифрактограмме, так как при использовании поликапиллярной линзы ширина исследуемых дифракционных максимумов определяется преимущественно угловой шириной падающего луча и закономерностью уменьшения интенсивности лучей, отклоненных от центрального луча, а не совершенством исследуемых слоев;
- практически невозможно определить состав (процентное соотношение компонентов в нанослоях гетероструктур) из-за низкой чувствительности при определении состава, так как максимальная интенсивность падающего луча наблюдается в месте нахождения немонохроматического пика, а не в местах расположения исследуемых пиков.
- невозможность корректной оценки всех слоев эпитаксиальной гетероструктуры, так как сканирование в данном методе используется только для нахождения такой единичной дифрактограммы, при установке которой достаточно хорошо видны пики от максимумов тех областей гетероструктуры, которые представляют интерес для данного исследования, а пик немонохроматического излучения выведен далеко за пределы исследуемой области. Следовательно, этот результат получен не для всего эпитаксиального слоя, а только для области, соответствующей данному расположению трубки;
- невозможность разделения слоев близкого состава, но расположенных на разной глубине, анализируемой гетероструктуры.
Технический результат достигается тем, что в известном способе использования рентгеновской однокристальной дифрактометрии с мощностью трубки от 5 до 10 Вт с немонохроматическим, квазипараллельным пучком рентгеновских лучей и позиционно-чувствительным детектором с угловой шириной окна от 10° до 15°, и сканирование образца в условиях брэгговского отражения производится сканирование в диапазоне углов±0,6° от предполагаемого угла Брэгга для основного буферного слоя гетероструктуры (чаще всего GaN) с шагом 0,01° - 0,06°для второго и четвертого порядков отражения, далее полученные дифрактограммы после математической обработки строятся в одной системе координат в двух вариантах: по шкале абсцисс 2θ и по шкале абсцисс (θ - 2θ), затем из этих двух массивов дифрактограмм находят дифрактограммы для разных порядков отражения с одинаковым положением максимумов, найденном на шкале (θ - 2θ), и используют их для точного расчета угла Брэгга для исследуемого образца; после этого дифрактограммы, соответствующие буферному слою (GaN), устанавливаются на шкале 2θ в соответствии с полученным результатом, остальные дифрактограммы от тонких рабочих слоев гетероструктуры автоматически располагаются на этой же шкале в соответствии с их составом и с учетом соотношения долей примесного состава; затем для разделения слоев по глубине структуры на шкале (θ - 2θ) из массива, соответствующего определенному тонкому слою (например, AlGaN) по одинаковому углу отклонения от горизонтальной плоскости выбирают дифрактограммы, соответствующие этому рабочему слою, и путем вычитания левой части дифрактограммы из правой отсекается часть дифрактограммы, сформированной излучением, не относящимся к анализируемому слою и по расположению максимумов оставшихся частей дифрактограмм производится уточнение примесного состав анализируемого слоя.
В предлагаемом способе, так же, как и в прототипе, используется однокристальная дифрактометрия, обеспечивающая резкое снижение стоимости и сложности используемого оборудования по сравнению с двух- и трехкристальными дифрактометрами, которые обычно используются для диагностики таких структур. Основной недостаток использования однокристального дифрактометра - большая угловая и спектральная ширина луча. Это приводит к наложению на исследуемые максимумы пика от немонохроматической части излучения (тормозного пика по терминологии прототипа). В прототипе влияние тормозного пика уменьшается выводом его независимым перемещением трубки за пределы области сканирования. Однако при этом максимальная интенсивность излучения трубки также попадает в точку падения луча, следовательно, интенсивность в зоне сканирования резко снижается. Это затрудняет определение взаимного расположения пиков от слоев структуры и снижает точность определения состава слоев эпитаксиальной пленки. Ширина пиков при этом не уменьшается, так как она определяется конструктивными особенностями (инструментальной функцией) трубки.
В предлагаемом способе для снижения роли инструментальной функции используется математический прием обратной свертки (деконволюции). Это приводит к усилению контрастности наблюдения и уменьшению ширины выявляемых максимумов и, следовательно, к повышению точности определения состава пленки без снижения интенсивности излучения.
В способе-прототипе положение тормозного пика используется также для внесения поправки на шкале 2θ. Однако при этом учитывается только ошибка установки в плоскости сканирования. Общая ошибка установки образца, связанная с отсутствием гониометра в однокристальном дифрактометре, не устраняется.
Для устранения этого недостатка в заявляемом техническом решении предлагается следующее. Из графиков Фиг.2 и Фиг.3 (в примере 1) на шкале 2θ видно, что эта ошибка практически не меняется при сканировании самого толстого ферного слоя гетероструктуры, например, слоя нитрида галлия. Способ устранения этой ошибки основан на всегда наблюдаемом на шкале (θ - 2θ) отклонении максимумов слоев исследуемого материала от горизонта в обе стороны. Это позволяет предположить, что большинство слоев гетероструктуры, во всяком случае, слои с большей толщиной, например, слой нитрида галлия, представляет собой непрерывный набор кристалографически совершенных плоскостей, связанных малоугловыми границами или хотя бы набором точечных дефектов. Наблюдаемый экспериментальный факт и предлагаемое объяснение используется в предлагаемом техническом решении.
С учетом выше сказанного, для расчета угла Брэгга применяется формула, использующая две единичные дифрактограммы сканирования в двух порядках отражения, выбранные по одинаковому положению их максимумов на шкале (θ - 2θ), следовательно, характеризующие один и тот же массив (слой) пленки. Полученный результат используется для точной установки на шкале 2θ угла Брэгга для данного слоя, в частности, нитрида галлия, а, следовательно, и для остальных компонентов.
Кроме того, при использовании способа-прототипа оценивается только тот объем материала, который обеспечивает надежный вывод тормозного пика при одновременном наблюдении исследуемых максимумов. Предлагаемое техническое решение позволяет последовательно просмотреть весь объем эпитаксиального слоя за счет сопоставления положений каждой дифрактограммы на двух шкалах, что позволяет определить, какие из выявленных областей представляют собой единый массив. Зная положение некоторых массивов, например, расположение рабочего слоя AlGaN в верхней части эпитаксиальной структуры, можно определить расположение других областей по толщине структуры.
Таким образом, в предлагаемом способе используется ряд новых элементов:
- единичная дифрактограмма, полученная при установке трубки на определенный угол, характеризует слой эпитаксиальной структуры, точно соответствующий углу Брэгга с учетом отклонения данного слоя от горизонтальной плоскости;
- значение интенсивности, наблюдаемое на шкале позиционно-чувствительного детектора, является результатом сложной свертки нескольких компонентов: формы линзы, содержащей множество капилляров, инструментальной функции, определяемой интенсивностью, угловым и спектральным расхождением луча, падающего на исследуемый образец, и структурной характеристикой того объема материала, с которым взаимодействует луч;
- использование операции деконволюции для математической обработки каждой единичной дифрактограммы и дополнительной операции для дифрактограмм, определяющих примесное содержание тонких слоев (например, слоя AlGaN) c целью уменьшения влияния угловой и спектральной ширины падающего рентгеновского излучения;
- способ расчета угла Брэгга и состава структуры, основанный на сопоставлении результатов построения на шкалах 2θ и (θ - 2θ).
Новым так же является такое техническое решение:
уточнение угла Брэгга для исследуемого образца производится с использованием двух массивов дифрактограмм для разных порядков отражения, а для уточнения примесного состава анализируемых слоев производится вычитание левой части дифрактограммы из правой части дифрактограммы для отсечения части дифрактограммы, сформированной излучением, не относящимся к анализируемому слою.
Предлагаемое изобретение существенно, так как оно позволяет использовать дешевое, безопасное оборудование, простое в наладке и эксплуатации, не требующее специального помещения, при этом позволяет определять состав эпитаксиальных структур с точностью, достаточной для производственного контроля, что возможно в настоящее время только с использованием дорогого, трудоемкого и требующего использования специально оборудованного помещения.
Заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень», так как элементы новизны в данной заявке не предполагают очевидности для специалистов. Не является очевидным для специалистов вывод, полученный из наблюдений при построении дифрактограмм на шкале (θ - 2θ), что гетероэпитаксиальный слой нитрида галлия представляет собой непрерывный набор монокристаллических плоскостей, связанных набором собственных точечных дефектов, однако именно на этом представлении основаны все предлагаемые решения.
Основной недостаток однокристальной дифрактометрии - отсутствие ограничений по ширине падающего и дифрагированного луча - используется как преимущество, позволяющее наблюдать эпитаксиальный слой как непрерывный веер монокристаллических плоскостей и исследовать области, угол Брэгга которых сильно отличается от основной толщины слоя.
Предлагаемый способ может быть использован для исследования любых гетероэпитаксиальных и гомоэпитаксиальных структур.
Пример 1. Исследовалась гетероэпитаксиальная структура AlGaN/GaN, эпитаксиально выращенная на подложке из SiC. Предполагаемый (заявленный при выращивании) состав структуры приведен в Таблице 1.
Цель исследования - уточнение параметра решетки GaN, определение процентного содержания алюминия в тонком рабочем слое AlGaN с отделением этого слоя от ростового слоя AlGaN, обоснование возможности послойного исследования гетероэпитаксиального слоя.
Дифракционный анализ проводился на установке XMD-300. В соответствии со справочными данными угол Брэгга для основного слоя GaN равен 17,278°. Проводилось сканирование в диапазоне углов 16,9° - 17,9° с интервалом 0,02°.
Единичная дифрактограмма, сформированная при каждой установке трубки, представлялась в виде дискретной функции зависимости интенсивности дифракции в каждой точке детектора от угла шкалы детектора. Каждая полученная дифрактограмма проходила операцию обратной свертки (деконволюции).
Общая формула свертки:
где:
х(k) - неизвестная идеализированная дифракционная картина, полученная при падении на рабочий эпитаксиальный слой узкого рентгеновского луча;
h(k) - импульсная характеристика системы, полученная сверткой дельта-функции с инструментальной функцией, полученной в результате анализа известных данных из описания установки и на основе моделирования;
y(k) - функция, полученная в результате операции свертки и представленная на шкале детектора.
По зависимости y(k) и полученной моделированием функции h(k) с использованием операции обратной свертки (деконволюции) определяется предполагаемая первоначальная зависимость х(k) из формулы (1) для дискретной функции:
После проведения этой операции для каждой дифрактограммы (каждого угла установки трубки при сканировании) создавалась своя база данных. Участок такой дифрактограммы при установке трубки на угол 17,46° показан в Таблице 2.
Колонки 1 и 4 наблюдаются непосредственно на шкале детектора. Колонки 2 и 3 получаются расчетом. Колонка 5 получается после обработки колонки 4 по формуле (2). Суть данной задачи сводится к поиску воздействия x(k) по известной реакции системы y(k) и ее импульсной функции h(k). (Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. - М.: Мир, 1983. Т. 1. 312 с.).
В качестве примера выбран участок дифрактограммы, полученной при установке трубки на угол, близкий к углу Брэгга для слоя AlGaN. В колонке 4 дана интенсивность, наблюдаемая на шкале детектора, в колонке 5 - результат проведения операции обратной свертки. Построенные по этому результату графики показаны на Фиг. 1. На полученном графике пик от области AlGaN наблюдается более контрастно.
Из Таблицы 2 видно, что угол θ, соответствующий максимальному значению интенсивности в колонках 4 и 5, немного отличается от табличного значения. Эта погрешность связана с недостаточной точностью установки образца и постоянна для данного процесса сканирования. Более точное значение угла Брэгга для данного эксперимента может быть получено расчетом по формуле:
где:
2
θ - угол Брэгга второго порядка отражения для исследуемого слоя гетероструктуры,
2
Т - угол установки трубки при сканировании второго порядка отражения,
4
2
4
2
4
4
2
4
Т- угол установки трубки при сканировании четвертого порядка отражения, выбранный таким образом, чтобы отклонение от горизонта массивов пленки, образующих дифракцию при этих углах падения луча, было одинаковым по шкале 3 (Таблица 2), то есть чтобы исследовался один и тот же слой эпитаксиальной пленки. Таким образом межплоскостное расстояние может быть определено для любого слоя. Из массива данных для исследуемого образца были выбраны три пары дифрактограмм таким образом, что каждая пара имела одинаковый угол отклонения от горизонта: Т=17,08° и Т=36,2°; Т=17,18° и Т=36,3°; и Т=36,4° и 17,28°, максимумы которых отклонены от горизонта на углы (-0,01465). При подстановке выбранных значений Ти Т было получено значение θ=17,245°, что меньше, чем справочные данные.
Все обработанные таким образом цифровые массивы строятся в одной системе координат, причем в качестве оси абсцисс используется или шкала 2θ (2), или шкала разностей (3).
Общий результат построения на шкале 2θ с использованием найденного значения угла Брэгга для GaN показан на Фиг. 2.
При установке максимума слоя (GaN) на расчетный угол θ максимумы слоев SiC устанавливаются на близком к табличному значению θ=17,78°.
Построение дифрактограмм на шкале (θ - 2θ) в том же диапазоне углов показано на Фиг. 3. Из построенной таким образом общей зависимости с использованием шкалы разностей следует, что все дифрактограммы, полученные от соответствующих слоев GaN, развернуты на разные углы по отношению к горизонту, и, следовательно, под разными углами друг к другу, при этом сплошность материала не нарушается. Наблюдается «веер» плоскостей, причем центральная плоскость веера близка к горизонтальной плоскости. Предположительно такое строение эпитаксиального слоя создается в процессе его роста. Рост пленки идет по механизму винтовой дислокации, причем скорость роста материала вблизи оси дислокации больше, чем увеличение толщины слоев латерального роста по площади структуры, что создает условия для роста слоев, расположенных под углом друг к другу.
Слои, легированные алюминием, расположены в разных областях структуры. Тонкий рабочий AlGaN (26 нм) расположен в самой верхней части структуры, а на подложке перед ростом GaN создается значительно более толстый (более 500 нм) промежуточный (ростовой) слой AlGaN переменного состава. Глубину расположения слоев, выявляемых при последовательном сканировании, можно определить по расположению их максимумов на шкале (θ - 2θ).
На Фиг. 4а показаны выбранные из Фиг. 3 примеры наиболее характерных дифрактограмм, иллюстрирующих эту возможность. Фиг. 4а иллюстрирует совпадение максимумов слоя, выявляемого при установке трубки на угол 17,3°, с подложкой SiC (нижняя часть эпитаксиальной структуры) и слоями 17,18° и 17,2° со слоем AlGaN (верхняя рабочая часть структуры).
Рабочий слой AlGaN из-за малой толщины растет очень короткое время, поэтому можно предположить, что слои AlGaN, по углу отклонения от горизонта отличаются друг от друга незначительно. По этому признаку их можно определить на построении на шкале (θ - 2θ). Это иллюстрируется на Фиг. 4б, где видно, что максимумы дифрактограмм, полученных при установке на углы 17,4°, 17,42°, 17,44°, 17,46°, 17,48° расположены на вертикальной прямой С-С, следовательно, это области рабочего слоя AlGaN.
На интенсивность и ширину пиков AlGaN в значительной степени влияет вклад немонохроматического излучения (тормозной пик). Предлагается следующий способ снизить это влияние. Как видно из Фиг. 2, пики GaN близки по ширине и форме, причем нижняя часть пиков в значительной степени формируется также в результате действия немонохроматического излучения.
Дифрактограммы от слоев GaN, удаленных от AlGaN, симметричны. Асимметрия кривой 2 на Фиг. 1 определяется только включением AlGaN. Поэтому, вычитая из правой ветви пика 2 левую ветвь на Фиг. 1, получаем результат, характеризующий только AlGaN. Результат такой операции показан на Фиг. 5.
Таким образом, при исследовании структуры AlGaN/GaN на SiC было установлено, что параметры кристаллической решетки GaN незначительно отличаются от справочных значений (параметр С увеличен на 0,001 нм).
Найдено, что процентное содержание алюминия в рабочем слое равна 0,33, что больше, чем предполагалось при росте эпитаксиальной структуры.
Таким образом проведенное исследование выращенной на подложке карбида кремния эпитаксиальной гетероструктуры AlGaN/GaN с помощью предлагаемого технического решения и использования однокристального дифрактометра позволило установить, что процентное содержание алюминия в рабочем слое AlGaN/ не 27%, как предполагалось при выращивании, а 33%. Такое повышенное содержание алюминия делает нежелательным использование этой гетероструктуры для формирования на ней, например, СВЧ-НЕМТ - транзисторов, так как рекомендовано, чтобы содержание алюминия в этих структурах для данных приборов не превышало 30%.
Пример 2. Исследовалась гетероэпитаксиальная структура GaN/AlGaN/GaN, выращенной на сапфировой подложке. Предполагаемый при росте состав структуры дан в Таблице 3. Слой GaN (так называемая, «шапочка») не оценивался из-за малой толщины.
Каждая полученная дифрактограмма проходила операцию обратной свертки (деконволюции) с использованием формул (1) и (2). Каждая дифрактограмма используется в виде таблицы, аналогичной Таблице 2.
По формуле (3) был определен угол Брэгга для слоя GaN исследуемого эпитаксиального слоя, равный 17,23°.
На Фиг. 6 показано построение диаграмм на шкале 2θ с учетом найденного значения угла Брэгга 17,23°.
Наблюдаемая картина показывает, что на этом образце также наблюдается веерообразное расположение слоев GaN без нарушения сплошности материала. Углы установки трубки, при которых выявляются рабочие слои AlGaN, можно найти по установке их при использовании шкалы абсцисс (θ - 2θ) (Фиг. 7, Фиг. 8).
Для нахождения слоев, одновременно с которыми выявляются слои AlGaN, рассматривается построение с использованием шкалы абсцисс (θ -2θ) (Фиг. 7).
На Фиг. 8 на вертикали А-А находятся максимумы дифрактограмм 17,42°, 17,44°, 17,46°, 17,48°. Максимум дифрактограммы 17,5° расположен под другими углами, и, следовательно, расположен в другом слое гетероструктуры.
Для дифрактограмм, характеризующих рабочий слой AlGaN, была проведена операция вычитания левой части дифрактограммы из правой. Полученные зависимости для слоя AlGaN показаны на Фиг. 9.
Итак, проведенные исследования гетероэпитаксиальной структуры GaN/AlGaN/GaN на сапфире с использованием предлагаемого технического решения, во-первых, позволили уточнить параметр С кристаллической решетки структуры буферного слоя GaN, как и в предыдущем примере, больше справочного значения на 0,0013 нм, а также установить, что концентрация алюминия в тонком слое AlGaN составляет 28%.
Таким образом, показано, что состав рабочего слоя AlGaN этой гетероструктуры более близок к предполагаемому составу при выращивании, чем в Примере 1.
Приведенные примеры демонстрируют, что с помощью предлагаемого технического решения, используя сравнительно простое, более дешевое, не требующее специального помещения оборудование - однокристальный дифрактометр можно определять строение и состав нитридных гетероструктур с такой же точностью, как на двухкристальном дифрактометре.
Полученный результат в аналоге представлен в виде кривой дифракционного отражения (КДО), полученной в результате сканирования с получением множества значений интенсивности, формирующих КДО (Фиг. 10а), что обычно является длительным экспериментом.
По результатам заявляемого способа для получения аналогичной зависимости использовались две единичные дифрактограммы: при установке трубки на угол, соответствующий слою AlGaN, и на угол, соответствующий слою GaN, расположенному под тем же углом, что и AlGaN (Фиг. 10б), что не требует больших затрат времени. Картина, наблюдаемая при использовании двухкристального дифрактометра (а) и при последовательной установке трубки на максимум GaN и на максимум AlGaN (б).