Способ определения концентрации железа в кремниевых p+-n-структурах методом емкостной спектроскопии глубоких уровней

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЖЕЛЕЗА В КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУРАХ МЕТОДОМ ЕМКОСТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ГЛУБОКИХ УРОВНЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Комаров Борис Анатольевич Мурин Леонид Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения концентрации железа в кремниевых структурах методом емкостной спектроскопии глубоких уровней, при котором их облучают при комнатной температуре высокоэнергетическими частицами с энергиями частиц больше граничной энергии для образования пар Френкеля в кремнии и такой дозой, чтобы концентрация вакансионных радиационных дефектов была соизмерима с концентрацией межузельного железа, проводят емкостную спектроскопию и изохронный отжиг вакансионных радиационных дефектов в течение 20 мин в интервале температур от 100 до 200 С, а по концентрации образованныхи 2 комплексов радиационный дефект-железо с электронным (Е 0,36) и дырочным (Н 0,18) уровнями в запрещенной зоне кремния судят о концентрации железа в исходных структурах. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых материалов и переходов, а более конкретно к способам контроля содержания примесей в полупроводниках. Известно, что железо является важной быстро диффундирующей технологической примесью переходных металлов, которая может непреднамеренно вводиться как на этапе выращивания кристаллов, так и при изготовлении полупроводниковых приборов 1. При обычных способах очистки полупроводниковых материалов, согласно данным электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) 1, фоновая концентрация железа в нулевом зарядовом состоянии в кристалле может достигать величины 1014 атомов/см 3. Высокотемпе 10299 1 2008.02.28 ратурные обработки (ВТО) при изготовлении переходов (диффузия мелких примесей при Т 1200 С для создания - и р-областей) и последующее быстрое охлаждение (закалка) приводят к тому, что основная часть электрически активного железа находится в межузельном положениив кристалле и является дырочной ловушкой с донорным уровнем у(0,38-0,41) эВ в запрещенной зоне кремния 1. Перевод железа в электрически активное состояние закалкой после ВТО позволяет в качестве контроля остаточной примеси железа применять электрические методы и, в частности, методы емкостной спектроскопии дефектов в полупроводниках (например,- глубокоуровневая переходная спектроскопия дефектов), обладающие высокой концентрационной чувствительностью(деф.1010- 1012 ат/см 3). Отсутствие же глубоких уровнейв кремнии -типа затрудняет прямое использование методов емкостной спектроскопии для такого материала, однако, исследование взаимодействияс различными дефектами решает проблему контроля железа. Необходимо отметить, что в изменении параметров полупроводниковых материалов и приборов на их основе существенную роль могут играть примеси в малых концентрациях. Так, присутствие железа и его комплексов в концентрации 51011 ат/см 3 в солнечных батареях понижает эффективность последних на 3-4 и существенно влияет на работу схем динамической памятиЭВМ 1. Существует способ определения концентрации железа, включающий облучение кремния высокоэнергетическими частицами 1. Минимальная концентрация железа (изотоп 59), определяемая методом нейтронного активационного анализа, составляет 51011 ат/см 3. К недостаткам следует отнести то, что для реализации способа требуется растворение образца, т.е. способ является разрушающим. Кроме того, типичное время, необходимое для анализа кремниевого образца на содержание железа, составляет от 4 до 8 недель 1. Поэтому метод нейтронного активационного анализа хорош как метод научных исследований, нежели как метод контроля в промышленном производстве. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является определение концентрации остаточной технологической примеси углерода в кремнии 2. Общим существенным признаком заявляемого способа и прототипа 2 являются облучение кремния высокоэнергетическими частицами (у прототипа Тобл.77-270 К), взаимодействие радиационных дефектов с остаточной технологической примесью (в прототипе с целью вытеснения примеси углерода в межузельное положение в кристалле) и образование вторичных примесных комплексов при последующем отжиге (у прототипа комплексы 1-, Тотж.50 С). Существенным отличием от прототипа является то, что в заявляемом способе используются облучение при комнатной температуре и прямое взаимодействие вакансионных радиационных дефектов (РД) с остаточной технологической примесью железа с образованием комплексов радиационный дефект-железо при раннем для вакансионных РД отжиге (Тотж.100-175 С). В качестве высокоэнергетических частиц могут использоваться -кванты, электроны,нейтроны и др. Энергия частиц должна быть больше граничной энергии для образования пар Френкеля в кремнии (например, для электронов Е 300 КэВ). Доза облучения должна быть такой, чтобы концентрация вакансионных радиационных дефектов была соизмерима с концентрацией межузельного железа. Так, в случае облучения электронами доза облучения выбирается в интервале 51012-51015 см-2. Температура облучения не должна превышать 50 С. Исследования термической стабильности радиационных дефектов, введенных облучением -квантами или быстрыми электронами в кристаллы кремния, не прошедших ВТО,показали, что такие основные вакансионные РД, как А-центр (комплекс кислородвакансия, О) и дивакансия (2), стабильны в зонном кремнии (-) до температур Тотж.350 С, а в кремнии, выращенном по методу Чохральского, (-) дивакансии стабильны до 250 С и отжигаются без образования в заметной концентрации новых электрически активных дефектов 3-6. 2 10299 1 2008.02.28 Целью изобретения является повышение чувствительности способа до 1010 ат/см 3 (у прототипа 1013 ат/см 3) и его применение как метода неразрушающего контроля к промышленным диффузионным переходам, в особенности к кремнию -типа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации железа в кремниевых рструктурах методом емкостной спектроскопии глубоких уровней кремниевые рструктуры облучают при комнатной температуре высокоэнергетическими частицами с энергиями частиц больше граничной энергии для образования пар Френкеля в кремнии и такой дозой, чтобы концентрация вакансионных радиационных дефектов была соизмерима с концентрацией межузельного железа, проводят емкостную спектроскопию и изохронный отжиг вакансионных радиационных дефектов в течение 20 мин в интервале температур от 100 до 200 С, а по концентрации образованныхи 2 комплексов радиационный дефект-железо с электронным (Е 0,36) и дырочным(Н 0,18) уровнями в запрещенной зоне кремния судят о концентрации железа в исходных структурах. Следует отметить, что в литературе по емкостной спектроскопии дефектов общепринятыми являются обозначения ловушек электронов как Е с нижним индексом, указывающим расстояние в эВ до дна зоны проводимости. Соответственно ловушка дырок - как Н с нижним индексом, указывающим расстояние в эВ до потолка валентной зоны. Время проведения всего комплекса исследований от облучения до финального низкотемпературного отжига структур может не превышать двух суток, при этом время получения-спектра на промышленном -спектрометре настольного типа фирмы 20-30 мин. Пример 1. Методомисследовались р- диоды, изготовленные диффузией бора в легированный фосфором -, с удельным сопротивлением 1-3 Омсм. Железо вводилось нагреванием до 1000 С в течение 1 ч образцов, -тип поверхности которых обрабатывался раствором железа в чистом НС, и охлаждением со скоростью 103 С/с. Образцы разбивались на группыи . Образцы группыподвергались дополнительному отжигу 400 С в течение 1 ч с целью преципитации атомов железа 8. Финальная металлизация контактов проводилась напылением алюминия при комнатной температуре. Структуры обоих типов облучались при комнатной температуре быстрыми электронами с энергией 1 МэВ потоком 21014-11015 см-2. Оцененная введенная концентрация железа из ЭПР измерений составляла 31014 см-3. Для установления взаимодействия железа с радиационными дефектами структуры подвергались изохронному отжигу (20 мин) до 400 С. Мониторинг проводился по отжигу доминирующего радиационного дефекта А-центра (комплекс кислород-вакансия, ). Для структургруппы отжиг А-центра начинался при температурах выше 300 С. Образование новых электрически активных дефектов в значительной концентрации не обнаружено. Для структургруппы отжиг А-центра начинался при температурах выше 100 С. При этом наблюдалось образование в равной концентрации новой электронной ловушки Е 0,36 с уровнемЕс-0,36 эВ и сечением захвата электронов 410-15 см 2, отжиг которой наступал при температурах выше 200 С. Новая ловушка идентифицирована как комплекс . Концентрация электрически активного железа определена изизмерений по концентрации комплексакак 91013 см-3. Замечена ранняя стадия (80 С) отжига дивакансии. Пример 2. Методомисследовались специально не легированные железом диффузионныерструктуры, изготовленные диффузией бора (Тдиф.1150 С) в с 2 Омсм (структуры ) и 20 Омсм (структуры ). Образцы облучались быстрыми электронами (Е 7 МэВ, Ф 31014-51015 см-2) при комнатной температуре. 3 10299 1 2008.02.28 В контрольных (необлученных) образцах в верхней половине запрещенной зоны (ЗЗ) ловушек электронов обнаружено не было. В нижней половине ЗЗ в структурахнаблюдалась полоса с максимумом в районе температур 225 К (ловушка Н 0,38, 0,3821011 см-3),что указывает на присутствие остаточной примеси железа 1. Для структур(с высоким уровнем легирования базы) отжиг основных вакансионных РД (А-центра в концентрации 0,1751014 см-3 и дивакансии в концентрации 0,2411014 см-3) проходил в одну стадию (Тотж 350 С). Для слаболегированной базы (структуры ) наблюдались ранняя (Тотж.100-175 С) стадия отжига А-центра и дивакансии в концентрациях 0,1761012 см-3 и 0,2421012 см-3 и образование в соответственно равных концентрациях новой электронной ловушки Е 0,36 с уровнемЕс-0,365 эВ и сечением захвата электронов 6,810-15 см 2 (0,365,61012 см-3,комплекс ) и дырочной ловушки Н 0,18 с уровнем 0,184 эВ и сечением захвата дырок р 3,010-15 см 2 (0,181,51012 см-3, комплекс 2) 7. Как параметры новой ловушки Е 0,36, так и температурный интервал возникновения и отжига данного дефекта полностью совпадают с поведением аналогичного центра для случая кремния, специально легированного железом (пример 1). Таким образом, фоновая концентрация электрически активного железа для структури , изготовленных в одинаковых условиях на одном и том же технологическом оборудовании, составила 7,1-1012 см-3 (Е 0,36, 0,36 Н 0,18, 0,18). Отметим, что для структуризменение в концентрации доминирующего РД А-центра при формировании комплексасоставило порядка 1 , что трудно зарегистрировать на эксперименте. В заключение отметим следующее. В обычных диффузионныхрпереходах или специально легированных железом барьерах Шоттки, когда концентрация РД существенно не превосходит концентрации железа, наблюдается ускоренный отжиг А-центра и дивакансии с образованием новых дефектов Е 0,36 и 0,18. Для случая, когда концентрация железа превосходит концентрацию РД, в результате (100-200 С) низкотемпературного отжига часть железа, равная концентрации РД, будет захвачена вакансионными ловушками с образованием вторичных комплексов радиационный дефект-железо, а остальная часть межузельного железа перейдет в электрически неактивное состояние. Кроме того,будет получен дополнительный эффект внутреннего геттерирования (выпадение в электрически неактивную фазу) оставшейся части электрически активного железа, что приведет к улучшению характеристик промышленных приборов. Источники информации 1.,.,. ..70, 2000. - Р. 489-534. 2. Маркевич В.П., Мурин Л.И. Селективный захват межузельных атомов углерода в облученном кремнии. Физ. и техн. полупров. Т.22. Вып. 5, 1988. - С. 911-914 (прототип). 3., . ., 121 (4), 1961. - . 1001. 4.,,, . ., 121 (4), 1961. . 1051. 5., . ., 138, 1965. - Р. 543. 6.,,, . ., 152, 1966. - . 761. 7. Комаров Б.А. Особенности отжига радиационных дефектов в кремниевых -структурах роль примесных атомов железа. ФТП. Т. 38. Вып. 9, 2004. - С. 1079. 8.,., . . . . . 57, 1985. - Р. 1941. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4