(54) Sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) P O L S K A (21) Numer zgłoszenia Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: Rzeczypospolitej Polskiej (51) Int.Cl.6 H01L 21/66 G01N 21/71 (54) Sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym (73) Uprawniony z patentu: (43) Zgłoszenie ogłoszono: Instytut Technologii Elektronowej, BUP 14/95 Warszawa, PL (72) Twórcy wynalazku: (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: Tadeusz Piotrowski, Warszawa, PL WUP 12/97 Witalij Czerniachowskij, Kijów, RU Władymir Malutenko, Kijów, RU PL B1 (57) 1. Sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym, wykorzystujący pomiar emisji promieniowania podczerwonego w wybranych przedziałach spektralnych, w wielu miejscach próbki i sporządzanie mapy rozkładu mierzonego parametru materiałowego, znamienny tym, że po wywołaniu mierzonej emisji cieplnego promieniowania badanej płytki półprzewodnikowej promieniowanie to mierzy się w dwóch wybranych przedziałach spektralnych, z których tylko jeden zawiera pasmo absorpcji tlenu międzywęzłowego, a następnie wykorzystując zależność mocy promieniowania wiążącego promieniowanie ciała czarnego i emisyjności próbki półprzezroczystej wyznacza się dla różnych miejsc próbki wartość współczynnika absorpcji proporcjonalnego do koncentracji tlenu międzywęzłowego.

2 Sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym, wykorzystujący pomiar emisji promieniowania podczerwonego w wybranych przedziałach spektralnych, w wielu miejscach próbki i sporządzanie mapy rozkładu mierzonego parametru materiałowego, znamienny tym, że po wywołaniu mierzonej emisji cieplnego promieniowania badanej płytki półprzewodnikowej promien i o w a n i e tomierzysię w d w ó c h w y b r a n y c h p r z e d z i a ł a c h s p e k t r a n y c h, z k t ó r y c h t y l k o jeden zawiera pasmo absorpcji tlenu międzywęzłowego, a następnie wykorzystując zależność mocy promieniowania wiążącego promieniowanie ciała czarnego i emisyjności próbki półprzezroczystej wyznacza się dla różnych miejsc próbki wartość współczynnika absorpcji proporcjonalnego do koncentracji tlenu międzywęzłowego. 2. Sposób określania koncentracji tlenu według zastrz. 1, znamienny tym, że w badanej płytce półprzewodnikowej wytwarza się jednorodny na głębokości i powierzchni rozkład temperatury znacznie wyższej od temperatury otoczenia, korzystnie umieszczając ją na tle ekranu o temperaturze niższej od temperatury otoczenia. 3. Sposób określania koncentracji tlenu według zastrz. 1, znamienny tym, że badaną płytkę półprzewodnikową o jednorodnej temperaturze otoczenia umieszcza się na wstępie na tle ekranu o temperaturze niższej od temperatury otoczenia. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób określania koncentracji tlenu międzywęzłowego w materiale półprzewodnikowym, stosowany dla kontroli procesów technologicznych wytwarzania monokryształów, segregacji płytek półprzewodnikowych, a także dla badania zmian koncentracji tlenu, wywołanych procesami termicznego wygrzewania, stosowanymi w technice geterowania wewnętrznego. Dotychczas znane sposoby określania koncentracji tego typu to różne warianty spektralnej transmisyjnej spektroskopii. Najczęściej stosowany jest spektrofotometryczny jednowiązkowy lub dwuwiązkowy pomiar transmisji w obszarze długości fali, w którym występuje pasmo absorbcyjne, związane z występowaniem tlenu międzywęzłowego, nałożone na pasmo fononowe. W oparciu o zmierzoną krzywą transmisji w obszarze występowania absorpcji tlenowej (9 μm dla krzemu, 11,7 μm dla germanu) wyznacza się współczynnik absorpcji a dla badanego piku z zależności: I = I1(1-R)2exp - (α d)/ 1 - R2exp - (2αd) gdzie: I1 - to natężenie wiązki padającej, I - natężenie wiązki przechodzącej, R - współczynnik odbicia, d - grubość płytki i α - współczynnik absorpcji.

3 Pomiaru transmisji dokonuje się metodą dwuwiązkową umieszczając w torze odniesienia płytkę o znikomej koncentracji tlenu lub dokonując pomiaru jednowiązkowego takiej płytki, by w wyniku odjęcia otrzymanych spektrogramów dla badanej płytki i płytki odniesienia zneutralizować wpływ absorpcji fononowej. W płytkach o niskiej rezystywności, koncentracji tlenu międzywęzłowego, w temperaturze pokojowej nie udaje się określić z uwagi na przeważający udział w ogólnej absorpcji - absorpcji wywołanej swobodnymi nośnikami. Po wyliczeniu współczynnika absorpcji a dla pasma, związanego z absorpcją tlenu międzywęzłowego w temperaturze 300 K, jego koncentrację wyznacza się z zależności: i Nt = A α (gdzie A - współczynnik proporcjonalności) Nt = 2, α [at/cm3] - dla krzemu Nt = 2,8 1017α [at/cm3] - dla germanu. W literaturze spotykane są także inne współczynniki przeliczeniowe. Dla wykonania poprawnych pomiarów przygotowane płytki o grubościach od 1-10 mm (w zależności od zawartości tlenu i stosowanej aparatury pomiarowej) winny być idealnie dwustronnie wypolerowane. Inną znaną odmianą pomiarów spektralnych tlenu międzywęzłowego, którą można szybko uzyskiwać rozkłady przestrzenne tlenu międzywęzłowego, na płytkach dwustronnie polerowanych, jest pomiar transmisji promieniowania lasera, emitującego promieniowanie o długości fali, leżącej w obszarze piku pochłaniania, wywołanego tlenem międzywęzłowym. Sposób pomiaru właściwości materiału wykorzystujący emitowane przez ten materiał promieniowanie podczerwone przedstawiono w opisie patentowym USA nr Sposób ten polega na wytworzeniu niejednorodnego rozkładu temperatury na grubości płytki poprzez miejscowe ogrzewanie tylnej strony płytki, a oziębianie przedniej strony w kierunku której dokonuje się pomiaru emitowanego promieniowania. Tak wywołany rozkład temperatury umożliwia pomiar jakościowy głębszych warstw badanego materiału lecz do ilościowego określania koncentracji jednorodnie rozłożonej na głębokości domieszki jest nieprzydatny, ponieważ wymaga znajomości dokładnej funkcji głębokościowego rozkładu temperatury. Jednocześnie obniżenie temperatury na części grubości badanego materiału zmniejsza radykalnie wypromieniowywane z tego obszaru promieniowanie podczerwone prowadząc do zmniejszenia sygnału pomiarowego, który jest ściśle związany z grubością i temperaturą próbki. Istotą sposobu określania koncentracji według wynalazku, wykorzystującego pomiar emisji promieniowania podczerwonego w wybranych przedziałach spektralnych w wielu miejscach próbki i sporządzanie mapy rozkładu mierzonego parametru materiałowego jest to, że po wywołaniu mierzalnej emisji cieplnego promieniowania badanej płytki półprzewodnikowej, promieniowanie to mierzy się w dwóch wybranych przedziałach spektralnych, z których tylko jeden zawiera pasmo absorpcji tlenu międzywęzłowego. Następnie wykorzystując zależność mocy promieniowania wiążącego promieniowanie ciała czarnego i emisyjności próbki półprzezroczystej, wyznacza się dla różnych miejsc próbki wartość współczynnika absorpcji proporcjonalnego do koncentracji tlenu międzywęzłowego. Wartość współczynnika absorpcji wyznacza się dla różnych miejsc płytki tworząc mapę jego rozkładu, a stosując wymieniony poprzednio współczynnik proporcjonalności A także mapę rozkładu koncentracji tlenu międzywęzłowego. Mierzalną emisję promieniowania podczerwonego wywołuje się dwoma sposobami. W pierwszym w badanej płytce wytwarza się jednorodny na głębokości i powierzchni rozkład temperatury znacznie wyższej od temperatury otoczenia umieszczając ją na tle ekranu o temperaturze niższej od temperatury otoczenia. W drugim wariancie płytkę o temperaturze otoczenia umieszcza się na tle ekranu o temperaturze niższej od temperatury otoczenia.

4 Sposób według wynalazku pozwala na wykonanie pomiarów na konkretnych płytkach stosowanych w przemyśle czyli płytkach jednostronnie polerowanych. Sposób według wynalazku zostanie bliżej objaśniony w oparciu o schemat układu pomiarowego pokazany na rysunku. Sposób wykorzystuje zamiast zewnętrznego źródła promieniowania stosowanego w spektrofotometrii - badaną płytkę półprzewodnikową jako to źródło, ponieważ pik pochłaniania związany z tlenem międzywęzłowym leży poza krawędzią absorpcji podstawowej, co przejawiać się będzie także w rozkładzie spektralnym promieniowania cieplnego badanej płytki. Badaną płytkę 1 mocuje się na przesuwnym stoliku 2 w termostacie 3, utrzymującym jednorodną temperaturę płytki wyższą niż otoczenie i ustawia przed ekranem 4, chłodzonym do temperatury niższej od temperatury otoczenia i płytki. Za płytką umieszczony jest modulator 5 promieniowania z układem do synchronizacji fazowej 6, a dalej filtr FA - 7 wymienny z filtrem F B - 8 oraz układ zwierciadlany 9, ogniskujący promieniowanie cieplne fragmentu płytki na detektorze 10, z którego sygnał przez przedwzmacniacz 11 przechodzi do urządzenia rejestrującego i porównującego 12. Na detektor 10 pada promieniowanie emitowane przez płytkę, promieniowanie tła ekranu 4 oraz odbite promieniowanie od płytki 1 i modulatora 5. Promieniowanie odbite od filtra jako nie modulowane nie jest rejestrowane przez detektor. Jeśli różnica między temperaturą płytki 1 i ekranu 3 jest znaczna, wpływ promieniowania tła ekranu jest nieznaczny. Spektralny współczynnik pochłaniania tlenu a wiąże się z mocą promieniowania cieplnego w płasko - równoległej płytce półprzezroczystej, o grubości d i współczynniku odbicia R według wzoru: w(λ, T) = WBB (1-R) (1-η)/ (1-Rη) (1-Rη) gdzie: przezroczystość płytki η = exp (-αd), α = α (tlen) + α(fononowe); WBB - spektralna moc promieniowania ciała czarnego w temperaturze T, X - długość fali. Zależność tę można przedstawić w następującej postaci: w(η, T) = ε WBB gdzie ε - spektralny współczynnik emisyjności. Obecność piku absorpcji wywołanego pochłanianiem tlenu międzywęzłowego prowadzi do modulacji promieniowania termicznego emitowanego z poszczególnych obszarów płytki w przypadku nierównomiernego jego rozkładu oraz zmian ogólnej mocy w przypadku porównywania płytek o różnych zawartościach tlenu. Fragmenty płytki, mające większą zawartość tlenu będą odznaczać się większą emisyjnością. Przy analizie obrazu cieplnego promieniowania przez urządzenie skanujące trzeba uwzględniać fakt, że ogólny strumień promieniowania padający na detektor 10 składa się z cieplnego promieniowania płytki 1, promieniowania tła odbitego i przechodzącego przez płytkę promieniowania tła. Pasożytnicze składowe związane z promieniowaniem tła maksymalnie zmniejsza się odpowiednią konstrukcją układu. Dal wyznaczenia współczynnika absorpcji w obszarze spektralnym związanym z domieszką tlenową wykonuje się pomiar natężenia promieniowania podczerwonego emitowanego przez próbkę o temperaturze T > T otoczenia dla długości fali - 9,15 μm stosując filtr 7 oraz

5 w obszarze ~ 8,2 μm stosując filtr 8. Otrzymane wartości natężenia promieniowania oznaczone odpowiednio jako P1 i P2 pozwalają na wyliczenie współczynnika absorpcji związanej z tlenem według przybliżonego wzoru: α(tlen) = 1/d1n [P2 + WBBR- WBB/P1 + WBBR- WBB-0,52] gdzie, jako wartość absorpcji fononowej wstawiono wartość 0,52 oraz nie uwzgędniono wielokrotnych odbić i przyjęto, że spektralna moc promieniowania czarnego W bb(λ) dla mało różniących się pomiarowych zakresów spektralnych P1, P2 jest jednakowa. Wartość koncentracji tlenu międzywęzłowego wyliczamy stosując zależność dla badanej płytki krzemowej z wzoru: Nt = 2,45 x 1017 x α(tlen) Szerokość przedziału spektralnego filtrów λ1 winna być większa od połówkowej szerokości piku pochłaniania i jednakowa dla obu filtrów. Dokonując opisanego pomiaru w kolejnych obszarach próbki tworzy się mapę rozkładu koncentracji tlenu międzywęzłowego.

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł