Диагностика крупномасштабных примесных скоплений в полупроводниках и анализ таких скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Российская Академия Наук Институт Общей Физики Р Г Б ОД

2 7 ЯНВ 1.9.97

на правах рукописи

Мурин Дмитрий Игоревич

Диагностика крупномасштабных примесных скоплений в полупроводниках и анализ таких скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского

Специальность 01.04.10 - "Физика полупроводников и диэлектриков"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1996 год

Работа выполнена в Институте Общей Физики РАН

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук,

зав. лабораторией В.П.КАЛИНУШКИН (ИОФАН)

Официальные оппоненты - главный научный сотрудник, доктор физико-

математических наук, профессор В.С.ВАВИЛОВ (ФИАН)

Ведущая организация - Научно-исследовательский и проектный

в/!" час на заседании специализированного Совета Д.003.49.03 в Институте Общей Физики АН по адресу 117942, Москва, ул.Вавилова;-д.38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ АН.

доктор физико-математических наук, профессор В.Г.МИХАЛЕВИЧ (ИОФАН)

Институт редкометаллической промышленности "ГИРЕДМЕТ", г. Москва

Защита диссертации состоится

1996 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д.003.49.03 ИОФ АН д.ф.-м.н., профессор

Обгцая характеристика работы Актуальность

Представляемая диссертационная работа посвящена, в основном, изучению крупномасштабных (с размерами 6-20 мкм) скоплении электрически-активных примесей в различных полупроводниковых материалах (кремнии, германии, арсениде галлия и фосфиде индия). Особое внимание уделено монокристаллам кремния, выращенных методом Чохральского, поскольку этот материал играет исключительную роль в микроэлектронных приложениях.

Вероятно, в настоящее время в исследованиях кремния, выращенного методом Чохральского, можно выделить условно два направления. .

Первое - чисто технологическое, связанное с получением монокристаллов заданной чистоты и максимально возможной однородностью распределения примесей на подложках

большого - более 200 мм - диаметра. Это направление также связано с встраиванием термических обработок для создания чистых приповерхностных зон и внутренних геттерирующих слоев в общий технологический цикл.

Во-вторых, не угасает интерес и к вопросам фундаментального характера. Несмотря на огромное количество. публикаций за последние сорок лет, проблемы термодинамики кристаллической решетки,' содержащей различные примеси, активно обсуждаются и сейчас. Наиболее активно изучается поведение так называемых легких примесей -. кислорода, углерода, азота и водорода, проникновение которых в кристалл неизбежно или в процессе роста или в результате технологических обработок. Фактически диффузия, растворимость этих примесей, а также их взаимодействие между собой и собственными точечными дефектами - вакансиями и межузельными атомами, определяют качество интегральных схем.

Среди многочисленных методов контроля монокристаллов кремния особое место занимают неразрушающие и

бесконтактные методы. Особым успехом пользуется метод инфракрасной спектроскопии, всегда применяемый, например, для оценки концентрации преципитиругощего кислорода и углерода.

Представляемая диссертационная работа является естественным развитием работ, проведенных и в ИОФ АН в период 1970-1982 гг. Эти работы привели к созданию нового бесконтактного и неразрушающего метода регистрации дефектного состава объема полупроводников, получившего название метода малоуглового рассеяния света. С его помощью в монокристаллах кремния, выращенного методом бестигелыгой зонной плавки, и особо чистого германия были обнаружены крупномасштабные (с размером порядка 10 мкм) примесные скопления, получившие название "кислородных примесных облаков". Крупномасштабные примесные скопления были обнаружены и в монокристаллах кремния, выращенного методом Чохральского, фосфиде индия и арсениде галлия. Хотя эти примесные скопления не оказывают заметного влияния на макроскопические электрофизические параметры -

кристашга (время жизни, проводимость), внутри них электрофизические параметры могут отличаться очень сильно от средних по кристаллу.

Поэтому актуальность темы диссертации определяется необходимостью детального исследования таких скоплений, то есть получения информации об их составе, концентрации, ориентации и т.д. и определения их места в ряду других дефектов, определяющих качество интегральных схем. Из вышесказанного следуют

Цели работы

Целями диссертационной работы являются как исследования крупномасштабных примесных скоплений с точки зрения примесных центров, их образующих, так и с точки зрения рекомбинационной активности скоплений, а также разработка эффективных методов, позволяющих проводить такие исследования.

Научная новизна

Исследован примесный состав крупномасштабных скоплений в монокристаллах германия, выращенного в атмосфере водорода. Показано, что крупномасштабные примесные скопления в монокристаллах арсенида галлия и фосфида индия представляют собой скопления ионизированных при 300К примесей. Показано, что крупномасштабные примесные скопления в монокристаллах кремния, выращенного методом Чохральского, представляют собой по крайней мере два типа дефектов: цилиндрические и сферические, содержащие в себе центры типа термических доноров в первом случае, и комплексы кислород-вакансия - во втором. Ни один из этих типов дефектов не является центром рекомбинации носителей.

Научная и практическая ценность работы.

Научная ценность работы заключается, в частности, в классификации крупномасштабных примесных скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского, и предложенным вероятным механизмом их образования. Практическая ценность диссертации заключается в возможности создания приборов, позволяющих бесконтактно и неразрушающе контролировать качество приповерхностных слоев кремниевых подложек - рабочих слоев.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах ИОФ РАН, ИХВВ РАН, на Республиканских конференциях молодых ученых (Ташкент,1984-1985 гг.), на 7 7 '") 7 Всесоюзной ^конференции по росту кристаллов (Москва, 1988

М ГА .

г.), на 3 и 4 Международных симпозиумах по обнаружению дефектов и обработке изображений в целях исследования и производства полупроводников (Токио, 1989 г., Манчестер, 1991 г.,), на 1 Национальной конференции по дефектам в

полупроводниках (Санкт-Петербург, 1991 г.), на 1 Международной конференции по материалам для микроэлектроники (Барселона, 1994 г.).

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Список цитированной литературы - 60 наименований. Работа изложена на 126 стр. машинописного текста, содержит 4 таблицы и 26 рисунков.

Содержание диссертации

Во введении кратко анализируются направления исследований монокристаллов кремния, выращенного по методу Чохральского. Подчеркивается, что основная проблема таких материалов - поведение в кристаллической решетке так называемых легких примесей - кислорода, углерода, азота и водорода и их взаимодействие с собственными точечными дефектами - вакансиями и межузельными атомами.

Упоминается о кислородных и углеродных облаках, обнаруженных в монокристаллах кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки и особо чистого германия.

Рассматриваются пути получения максимальной -информации об оптических неоднородностях в монокристаллах кремния, выращенного методом Чохральского, германия, арсенида галлия и фосфида индия с помощью метода малоуглового рассеяния света (длина волны 10.6 мкм).

Первая глава представляет собой литературный обзор. В параграфе 1 рассматриваются точечные дефекты в монокристаллах кремния. Последовательно излагаются

извеспше литературные данные о собственных микродефекгах кремния - вакансиях и межузельных атомах и их кластерах (свирлы, дефекты упаковки, дислокационные петли), а также примесных микродефектах - кислороде, углероде, азоте и водороде. Далее излагаются известные сведения об основных легирующих примесях, переходных металлах и галогенах.

Второй параграф главы 1 посвящен сжатому изложению известного дефектного состава монокристаллов германия и арсенида галлия.

Третий параграф главы 1 посвящен анализу примесных облаков в монокристаллах кремния, выращенного методом бестигелъной зонной плавки и особо чистого германия. Обсуждается механизм образования облаков, эксперименты с монокристаллами, подвергнутыми высокотемпературным термообработкам,

эксперименты с остановкой роста кристаллов, эксперименты по смене типа проводимости облаков.

Из проведенного анализа литературы следуют цели диссертационной работы, изложенные в кратком четвертом параграфе.

Вторая глава является методической. В ней предлагается ряд способов, позволяющих получать обширную информацию о рассеивающих неоднородностях в полупроводниковых креталлах. В первом параграфе главы 2 излагается метод малоуглового рассеяния

света. Подчеркиваются преимущества этого метода - высокая

чувствительность, возможность бесконтактного и неразрушающего

контроля дефектов в обьеме полупроводниковых кристаллов.

Второй параграф главы 2 посвящен экспериментальной установке.

Обращается внимание на то, что установка была смонтирована до

начала настоящей работы и в ней была лишь частично

модернизирована. Фактически она представляет собой

интерферометр Маха-Цавдера, в котором регистрация угловой

зависимости интенсивности рассеяния света производится

перемещением одного из зеркал в плече интерферометра

перпендикулярно проходящему зондирующему лучу. Применение

метода оптического гетеродинирования позволило реализовать

высокую чувствительность (10 вт/ср) и разрешающую

-к

способность установки (10 ст ), Модернизация установки заключается в ее адаптации к температурным измерениям и к выявлению рекомбинациошю-акттшых дефектов. Третий параграф главы 3 представляет собой изложение некоторых аспектов температурных зависимостей интенсивностей рассеяния и примесной фотоионизации (то есть подсветки с энергией кванта меньше ширины запрещенной зоны). Если области, аналогичные примесным облакам (то есть области с повышенной

концентрацией растворештой примеси) представляют собой скопления иош!зированных при комнатной температуре примесей (и соответственно скопления свободных носителей), то при вариациях температуры степень ионизации примесей будет меняться, что приведет к изменению концентрации носителей. Соответственно изменится и интенсивность рассеяния. Рассеяние же такими дефектами, как преципитаты и их колонии, дефекты структуры, дислокации и свирлы, микрорельеф поверхности практически от температуры не зависит. Таким образом, использование температурных измерений интенсивности рассешшя может явиться эффективным средством определения природы рассеивающих неоднородностей в полупроводниковых материалах. Кроме того, подобные эксперименты могуг быть использованы для анализа состава примесных скоплений. В случае "вымораживания" примесей появляется возможность их ионизации за счет фотовозбуждения. В более общем случае примесная фотоионизация может приводить к наблюдению рассеяния скоплениями глубоких (неионизированных ) примесей. Четвертый параграф посвящен влиянию импульсной генерации носителей (фотовозбуждение "зона-зона") на рассеяиие света. Так как интенсивность рассеяния примесными скоплениями,

взаимодействующими с носителями, связана со средней концентрацией носителей в образце, то при импульсной генерации носителей должны наблюдаться импульсы рассеянного на них света, что дает возможность зарегистрировать их даже при наличии более сильного по интенсивности, но постоянного фона, рассеянного всеми остальными имеющимися в образце частицами света. Краткий пятый параграф главы 2 посвящен ориентационным зависимостям интенсивности рассеянного света.

В третьей главе экспериментально показаны возможности предлагаемых методик. Демонстрируется возможность определения термической и оптической энергий ионизации примесей, образующих скопления, на примере германия, выращенного в атмосфере водорода. В первом параграфе третьей главы экспериментально определяется природа оптических неоднородностей в кремнии, выращенном методом бестигельной зонной плавки, арсениде галлия, фосфиде индия и кремнии, выращенном методом Чохральского. Второй параграф главы 3 посвящен экспериментальному исследованию ряда параметров центров, образующих примесные скопления в германии, выращенном в атмосфере водорода. Для этих целей используются

температурньте зависимости интенсивности рассеяния и примесная подсветка, осуществляемая непрерывным СО-лазером (длина волны 5.7 мкм). Анализ температурных зависимостей показывает, что разброс значений энергий ионизации центров, образующих скопления, довольно велик и составляет порядка 100 мЭв. Эксперименты; по фотоионизации при низких температурах позволяют определить эти значения с точностью до 20 мЭв. Третий параграф главы 3 посвящен исследованию центров рекомбинации и-прилипания в полупроводниковых кристаллах, в основном в кремнии, выращенном методом бестигельной зонной плавки.

Глава 4 полностью посвящена исследованию рассеивающих дефектов в монокристаллах крем1шя, выращешгого по методу Чохральского по кристаллографическим направлениям <100> и <111>, с удельным сопротивлением несколько ом см. В первом параграфе четвертой главы представлены результаты экспериментов по влиянию ориентации образца относительно плоскости поляризации зондирующего излучения на рассеяпгае света. Обращает на себя внимание тот факт, что, в отличие от сферически-симметричных примесных облаков в кремнии,

выращенном бестигельной зонной плавкой, некоторые рассеивающие дефекты в кремнии, выращенном по Чохральскому, такой симметрией не обладают. Эти дефекты представляют собой цилиндры диаметром 8-10 мкм и длиной 1540 мкм, ориентированные по направлению <110>. Следует отметить, что аналогичные дефекты наблюдаются с помощью метода наведенного тока. Такой тип дефектов наиболее распространен в исследуемых материалах. Наряду с цилиндрическими дефектами в исследуемых материалах присутствуют сферические дефекты - диаметром 5-20 мкм,

наблюдаемые также на микрофотографиях наведенного тока. Их ■5 Ь

концентрация 10 -10 см и по крайней мере на порядок ниже, чем концентрация Цилиндрических дефектов. Во" вторам параграфе главы 4 приведены результаты исследований температурных зависимостей интенсивности рассеяния цилиндрическими и сферическими дефектами. Для цилиндрических дефектов характерно небольшое (в 2-3 раза) падение интенсивности рассеяния при температурах порядка 90К. Обработка температурных зависимостей дает величину энергий ионизации центров, образующих цилиндрические дефекты, порядка 40-70 мЭв. Концентрация свободных носителей в

пределах цилиндров (3-10) 10 см , цилиндры занимают не более 5 10 объема кристалла. Для сферических дефектов падение интенсивности рассеяния происходит при 250К. Значения энергий ионизации центров, образующих сферы, 130170 мЭв, концентрация свободных носителей в пределах сфер (347 -9) 10 см , доля объема* занимаемая сферами,-не более 4 10

обьема кристалла. Заключительные части параграфов 1 и 2 посвящены изменениям в диаграммах рассеяния или в температурных зависимостях для тсрмообработанных кристаллов. Третий параграф главы 4 посвящен исследованию рекомбинационно-активных дефектов. В подавляющем большинстве случаев при фотовозбуждении "зона-зона" диаграмма рассеяния представляет собой т.н. "плато" (то есть размер рассеивающих дефектов менее 2 мкм). Такая ситуация характерна как для исходных, так и термообработанных кристаллов. Однако в кристаллах, термообработанных при высоких температурах (более 1000С) интенсивность "плато" по крайней мере на два порядка выше, чем в исходных или термообработанных при более низких температурах. Эти результаты интепретируются в предположении, что рекомбинациошю-активными дефектами в кремнии, выращенном по методу Чохралъского, являются кислородные

прецигшхахы, поскольку их появление в значительных концентрациях при 1000С есть установленный факт (например, известно, что для создания внутреннего геттера, основанного на преципитации кислорода, очень эффективны термообработки при 700С, приводящие к появлению -значительного количества зародышей преципитатов, плюс термообработка при Г000С, приводящей собственно к появлению преципитатов); дополнительным свидетельством такого предположения служит то обстоятельство, что в кремнии, выращенном бестигельной зонной плавкой (в котором концентрация кислорода по крайней мере на два порядка ниже) в роли центров рекомбинации выступают примесные облака.

В заключении приведены выводы диссертации.

1. При исследовании температурных зависимостей (Т—300-77 К) малоуглового рассеяния света (длина волны 10.6 мкм) полупроводниковыми кристаллами кремния, германия, арсенида галлия и фосфида индия впервые экспериментально наблюден эффект "вымораживашгя" точечных центров в крупномасштабных электрически-активных скоплениях примесей. На основе этого эффекта разработан метод определения энергий термической ионизации центров, образующих скопления. Подтверждено, что оптические дефекты, наблюдаемые с помощью метода малоуглового рассеяния света в этих кристаллах, являются скоплениями иоиизированных при 300К примесей.

2. Впервые экспериментально наблюден эффект примесной фотоионизации точечных центров в примесных скоплешшх в монокристаллах особо чистого германия (Т=77К). Это позволило определить энергии оптической ионизации центров, образующих скопления.

3. В монокристаллах кремния, выращенного по методу Чохральского, в отличие от выращенных методом бестигельной зонной плавки (где примесные скопления сферически-симметричны), обнаружены два типа крупномасштабных примесных скоплений: цилиндрические, длиной 8-20 мкм и диаметром 3-5 мкм, и сферические - диаметром 6-9 мкм. Показано, что цилиндрические скопления включают в себя центры с энергией ионизации от 40 до 60 мЭв (центры типа термических доноров), а сферические скопления включают в себя цетры с энергией ионизации 130-170 мЭв (центры типа кислород-вакансия).

4. На основе импульсного лазерного фотовозбуждения разработана методика, позволяющая контролировать рекомбинационно-активные дефекты в объеме кремниевых подложек. Показано, что в монокристаллах кремния, выращенного методом Чохральского, центрами ускоренной рекомбинации носителей являются мелкие дефекты с размерами не более 2 мкм, предположительно кислородные преципитаты. Полученные результаты могут быть применены для создания приборов,

позволяющих бесконтактно и неразрушающе осуществлять контроль важных параметров технологического цикла производства интегральных схем, таких как степеш> очистки приповерхностного слоя, качество внутреннего геттера и т.д. Разработка таких приборов производится в ИОФ АН.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных публикациях:

1. Воронков В.В., Воронкова Г.И., Мурин Д.И., МуринаТ.М., Прохоров A.M., Калинушкин В.П.

Температурная зависимость малоуглового рассеяния света кристаллами чистого кремния.

ФТП, 1984, т.18, в.5, с.938-940.

2. Воронков В.В., Воронкова Г.И., Мурин Д.И., Омельяновский Э.М., Петрова Е.А., Прохоров A.M., Калинушкин В.П., Райхштейн В.И.

Новый тип примесных дефектов в полуизолирующем арсенйде галлия.

ФТП, 1984, т.18, в.8, с.1363-1367.

3. Мурин Д.И., Юрьев В.А., Калинушкин В.П. Крупномасштабные скопления электрически-активных

дефектов в монокристаллах арсенида галлия. ФТП, 1984, т.28, в.4, с.640-645.

4. Георгобиани А.Н., Калинушкин В.П., Микуленок A.B., Мурин Д.И., Прохоров A.M., Радауцан С.И., Тигиняну И.М., Урсаки В.В.

Скопления электрически-активных примесей в монокристаллах фосфида индия.

ФТП 1985, т.19, в.5, с.810-813.

5. Калинушкин В.П., Юрьев В.А., Мурин Д.И. Крупномасштабные скопления электрически-активных

дефектов в монокристаллах фосфида индия. ФТП 1991, т.25, в.5, с.798-806.

6. Заболотский С.Е., Калинушкин В.П., Мурин Д.И., Мурина Т.М., Плоппа М.Г.

Определение параметров точечных центров, образующих "слабые" примесные скопления в полупроводниковых материалах. ФТП 1987, т.21, в.8, с.1364-1368.

-247. Мурин Д.И., Мурина Т.М., Прохоров А.М., Калинушкин В.П., Плоппа М.Г.

Применение метода малоуглового рассеяния света для исследования крупномасштабных центров рекомбинации и прилипания в полупроводниковых кристаллах.

Микроэлектроника 1986, т. 15, в.6, с.523-527.

8. Бузшшн А.Н., Калинушкин В.П., Лукьянов А.Е., Мурин Д.И., Мурина Т.М., Осико В.В., Плоппа М.Г., Татаринцев В.М.

Крупномасштабные электрически-активные примесные дефекты в кремнии, выращенном методом Чохральского.

Расширенные тезисы 7 Всесоюзной конференции по росту кристаллов. 14-19 ноября 1988, т.З, с. 286-287.

9. Астафьев О.В., Бузшшн А.Н., Бувальцев А.И., Мурин Д.И., Калинушкин В.П., Плоппа М.Г.

Классификация крупномасштабных примесных скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского и легированного бором.

ФТП 1994, т.28, в.З, с.407-415.

Подписано в печать 16 декабря I9S6 года

Заказ й 257.Тираж 100 экз.П.д.1,5._

•Отпечатано в ШИС ФЙАН

Москва,В-333,Ленинский проспект,53.