Исследование электрически- и рекомбинационно-активных дефектов в кремнии и сплавах кремний-германий картирующим методом малоуглового рассеяния света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

- 3 им Ч®.

Российская академия наук

ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

на ттрлпя\' рукописи УДК 537.311.322: 535

АСТАФЬЕВ ОЛЕГ ВЛАДИМИРОВИЧ

исследование электрически- и рекомбинационно-активных дефектов в кремнии и сплавах кремний-германий картирующим методом малоуглового рассеяния

света

Специальность 01.04.05 - Олтлха

а в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Институте общей физики РАН

Научный руководитель — кандидат физико-математических наук,

завлабораторией В.П.КАЛИНУШКИН (ИОФАН)

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

профессор Э.И.РАУ (МГУ)

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

Ведущая организация — Научно-исследовательский и проектный

Институт редкоземельной промышленности - "ГИРЕДМЕТ", г.Москва

Защита диссертации состоится " Я>1 " 1997 года,

в 15 час на заседании специализированного Совета К 003.49.02 в Институте Общей Физики РАН по адресу: 117942, Москва, ул. Вавилова, д.38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФАН. Автореферат разослан "Г? " срОХ^СкЛМ 1997г.

Учёный секретарь Специализированного Совета К 003.49.02 к.ф.-м.н.

Т.Б.ВОЛЯК

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

Бурный прогресс микроэлектроники требу <л всё более глубокого понимания природы дефектов в полупроводниковых материалах, в первую очередь, таких технологически важных на сегодготлшй день, как кремний, кремний с германием, ареенид галия и т.д. Развитие

технологий роста, очистки маюриалов, подготовки поверхностей, во-первых, ис устраняет всех дефектов, влияющих на работу приборов, а. во-вторых, постоянно гребуст новых эффективных средств диагностики. Важная задача — выявлять дефекты, которые непосредственно влияют на работу полупроводниковых приборов, i.e. электрически активные дефекты.

Кроме того, существует целый ряд прикладных задач контроля параметров полупроводниковых материалов непосредственно в технологическом цикле производства, бесконтактно и не разрушая их.

Методами малоуглового рассеяния света (МУРС) было обнаружено; что для различных полупроводниковых материалов характерно наличие так называемых крупномасштабных электрически-активных дефектов (KPАД) с размерами но крайней мере от Змкм до 50мкм и более. Основной недостаток МУРС заключается в том, что он не позволяет

получать картину распределения этих дефектов и, следовательно, наблюдать и исследовать отдельные дефекты.

Картирующий метод малоуглового расссшпш света (КМУРС), созданный в результате настоящей работы, лишён этого недостатка и позволяет бесконтактно визуализировать и изучать электрически- и рекомбинационко-активные дефекты в полупроводниках. Поэтому настоящая работа актуальна с точки зрения разработки методики и исследования электрически-активных дефектов в полупроводниковых материалах.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка картирующего метода малоуглового рассеяния света, создание на его основе экспериментальной установки, исследование и классификация крупномасштабных электрически-активных дефектов в исходных кристаллах кремния, выращенных методом Чохральского, исследование и классификация рекомбинационно-активных дефектов в монокристаллах сплава Б^.дОе* для фотоэлектрических преобразователей с высоким КПД.

Практическая ценность работы

Разработанный картирующий метод малоуглового рассеяния свегд (КМУРС) может быть применен как для научных исследований электрически- и рекомбинаиионно-актинных дефектов в полупроводниках, так и для неразрушаюхцего контроля подложек в технологическом цикле производства.

Результаты исследования и классификации дефектов в исходных кристаллах кремния важны для понимания природы лефекто-образовашш. Выявление рскомбинаинонно-акпшных дефектов и монокристаллах сплава Si^Gc*, имеет практическое значение для создания на'его основе фотоэлектрически прсобразошпелей с высоким КПД.

Результаты, полученные в работе, Moiyr быть использованы для

улучшения качества материалов, используемых в микроэлектронике и солнечной энергетике.

Научная новизна

Впервые разработан бесконтактный неразрушающий метод визуализации электрически- и рекомбинационно-активных дефектов в полу-проводшгках. С помощью этого метода выявлены, исследованы и классифицированы крупномасштабные электрически-активные дефекты

в объёме исходного кремния, выращенного методом Чохральсхого, и рекомбинационно-активные дефекты в Sij^Ge*.

Апробация диссертации

Материалы, включённые в диссертацию, докладывались на семинарах ИОФ РАН, на международных конференциях: International Conference on Microscopy of Semiconducting Materials, Oxford, UK, March, 1995; Third International School on Non-linear Optics, Alborg, Danmark, August, 1995; 17th Congress of the International Commission for Optics, Taejon, Korea, August, 1996; MRS Fall Meting, December, 1996, Boston, USA и в достаточно полной мере отражены в 17 печатных работах.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения. Список литературы включает 56 наименований. Работа изложена на 96 страницах машинописного текста, содержит 1 таблицу и 21 рисунок.

Содержание диссертации

введение

Введение посвящено обоснованию актуальности диссертационной работы, поясняется, важность исследования электрически-активных дефектов в полупроводниках и необходимость создания новых неразрушакнцих методов контроля таких дефектов. Во введении также сформулирована цель работы и показана новизна полученных результатов.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

В первом параграфе этой Главы рассмотрены некоторые методы контроля дефектов полупроводников и их электрофизических свойств. Это — метод наведенного тока (ЕВ1С) (режим сканирующего электронного микроскопа), СВЧ-релаксометрия, инфракрасная оптическая томография (1К Ц5Т), сканирующая инфракрасная микроскопия (ХШМ) и наиболее близкий по физическим принципам работы — метод малоуглового рассеяния света (МУРС). Даны характеристики их достоинств и недостатков. Все описанные методы являются близкими к картирующему методу малоуглового рассеяния света (КМУРС) либо по принципу действия, либо по типу выявляемых дефектов и свойств.

Второй параграф посвящён обзору исследований крупномасштабных электрически-активных дефектов (КРЛД) в полупроводниковых материалах, особое внимание уделено КРАД в кремнии. Из предшествующих работ известно, что в различ!шх полупроводниках содержатся области микронного масштаба с концентрацией носителей тока, отличной от средней концентрации носителей тока в объёме. Эти области обусловлены, так называемыми крупномасштабшлми скоплениями электрически-активных дефектов. Было продемонстрировано, что в кремнии и германии, выращенных методом бестигсльной зонной плавки (БЗП), основным дефектом являются сферические скопления растворённых атомов кислорода (кислородные облака). Позднее было обнаружено, что природа и форма КРАД в кремнии, выращенном методом Чохральского, отличаются от КРАД в БЗП кремнии. Для Чохральского кремния характерно наличие КРАД, имеющих анизотропную форму, которые преимущественно ориентированы в определенных выделенных направлениях.

ГЛАВА И. МЕТОД КАРТИРУЮЩЕГО МАЛОУГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА.

В этой главе подробно описаны принципы работы картирующего метода малоуглового рассеяшш света (КМУРС). Рассмотрено взаимодействие плоской волны электромагнитного излучения со скоплением свободных носителей в полупроводнике.

На оптических частотах вплоть до среднего инфракрасного диапазона вклад в действительную часть диэлектрической проницаемости существенно превышает мттмуто, т.е. поглощение мало, а его абсолютная величина пропорциональна квадрату длины волны. Если плоская волна проходит через шхоскопаряллелъную полупроводниковую пластину, которая содержит неоднородности в распределении свободных носителей тока, то она рассеивается на этих нсодно-родностях. Для их регистрации необходимо устранить невозмущенную плоскую волну и построить изображение в рассеянных лучах.

Схема темнонольнош микроскопа или, другими словами, фильтр низких пространственных частот, позволяет достичь этой цели. Рассмотрены пределы применимости ¿акой схемы для регистрации "слабых" неоднородностей в распределении носителей тока (с низкой концентрацией свободных носителей).

Другой режим использования оипелннош метода — выявление картины рекомбинационнно-акгивных дефектов. В этом режиме регистрируются неравновесные носители, возбуждённые внешним источником света. Рассмотрены и проанализированы различные частные случаи генерации неравновесных носителей; импульсная и стационарная для поверхности и объёма. Показана возможность исследования кинетики рекомбинации локально с точностью до длины диффузии.

На базе описанного метода КМУРС создана экспериментальная установка, на которой в дальнейшем были выполнены исследования. Образец — плоскопараллельная пластина полупроводникового материала (обычно стандартная микроэлекгронная подложка) размещался в предметной плоскости германиевой линзы с минимизировагатой сферической аберрацией. В плоскости изображения на оптической оси находился одноэлементный приёмник на основе узкозонного полупроводника Сс1Н§Тс, который работал при температуре жидкого азота. Образец просвечивался тонким (¿^200мкм) пучком излучения СОг-лазера (л=10,6мкм). Для устранения пучка зондирующего излучения непосредственно перед линзой на оптической оси размещался небольшой непрозрачный экран. Управление, сбор и обработка данных осуществлялись внешним компьютером. Образец построчно сканировался при помощи шаговых двигателей и, таким образом, формировалась двумерная проекция изображения образца в рассеянных лучах.

Установка позволяет неразрушающим бесконтактным способом визуализировать: 1) картину оптических неоднородностей в объёме полупроводника (обычно это неоднородности в распределении свободных носителей, вызваные КРДД); 2) картину рекомбинационно-активных дефектов на поверхности того же самого участка образца. Кроме того, установка позволяет регистрировать отдельные скопления в объёме с концентрацией свободных носителей до 1014см~3 (для

скопления размером ЗОмкм). Разрешение определяется в перпую очередь качеством объектива и составляет ЗОмкм.

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Эта Глава посвящена результатам, полученным с помощью экспериментальной установки КМУРС.

Исходные кристаллы кремния, выращегаше методом Чохралъекого, исследовались в режимах визуализации крупномасштабных электрически-активных дефектов и визуализации рскомбинашюнно-акпшшх дефектов. Было выявлено наличие следующих типов дефектов;

1. "Слабые" анизотропные дефекты, занимающие существенную-) часть объема., . ориентированные преимущественно вдоль выделеноых направлений. Размеры этих дефектов варьируются ь пределах по крайней мере от ЗОмкм до ЮОмкм и более.

2. "Сильные" анизотропные дефекты, но форме и орисшатжи аналогичные "слабым", но с существенно большей концентрацией носителей в тптх тт с меньшей ттлотностыо самих дефектов, как мишшуы на порядок. Вероятно, именно эти дефекты выявлялись ранее с помощью мегода наведенного тока (ЕВ1С), как "цилиндрические".

3. Малые сферические дефекты с размерами, по крайней мере, меньше ЗОмкм.

4. Сверхбольшие протяжённые дефекты с размерами до нескольких сотен микрон, проявляющие чёткий рекомбинационный контраст.

С помощью картирующего метода малоуглового рассеяния света были исследованы монокристаллы сплава Б^ССд., выращенные для фотоэлектрических преобразователей с повышенным КПД. В таком материале важно выявлять рекомбинационно-активные дефекты, поскольку именно они уменьшают эффективность преобразования световой энергии в электрическую. Визуализация неравновесных носителей с помощью КМУРС позволяет бесконтактным способом наблюдать карту эффективности преобразования, точно так, как это происходит в конечном рабочем приборе, изготовленном на основе этого материала.

В результате исследования в режимах визуализации оптических неоднородностей и визуализации рекомбигоштошго-активных дефектов, было выявлено наличие следующих типов дефектов:

1. Полосы роста, обусловленные флуктуацией концентрации германия, которые сами по себе проявляют слабый рекомбинационный контраст, но влияют на образование других рекомбинацинно-активных дефектов.

2. Дислокации, проявляющие сильный рекомбинационный контраст.

3. Рекомбинационно-активные дефекты размером, по крайней мере, от ЗОмкм до 200мкм, природа которых не совсем ясна. На картинах

рекомбикациошшуо контраста они выглядят как чёрные ямки. Этот тип дефектов является наиболее сильным и проявляется даже а свободных от дислокаций и полос роста областях.

Приведены также карттты распределения рекомбинаиионно-акгивных дефектов в поликремнии, используемом для производства дешёвых солнечных преобразователей. Картины получены бесконтактным способом и демонстрируют возможность использования метода как для простого эффективного способа контроля в технологическом цикле производства, так и для очлодки технологий.

заключение

В заключении рассматриваются перспективы развития существующей экспериментальной установки КМУРС и приводятся основные выводи диссертационной работы.

Основные направления развития — это локальное исследование кинетики рекомбинации; температурные измерения для онределстптя энергий центров, образующих КРАЛ; исследование КРАД, образованных глубокими энергетическими уровнями; магнитные измерения для определения типа носителей, образующих КРАД. Это позволит сделать на базе КМУРС мощный диагностический инструмент для исследования природы дефектов и электрофизических свойств полупроводников.

Основные результаты работы

1. Исследованы электрически- и рекомбинационно-активные дефекты в исходном кремнии, выращенном методом Чохральского. Выявлено и классифицировано несколько типов крупномасштабных электрически-активных дефектов, присутствующих в этом материале: а) анизотропные дефекты двух типов; б) малые сферические дефекты; в) сверхбольшие протяжённые дефекты.

2. Исследованы монокристаллы сплава (0,02<х<0,043), выращенные для фотоэлектрических преобразователей. Выявлены и классифицированы дефекты: а) полосы роста, проявляющие слабый рекомбинационный контраст; б) дислокационные стенки, проявляющие сильный рекомбинационный контраст; в) сильные рекомбинационно-активные дефекты недислокационной природы. Продемонстрирована возможность бесконтактной диагностики рекомбинационно-акгивных дефектов в других технологических материалах, например, рекомбинационный контраст границ зёрен в поликремнии для фотоэлектрических преобразователей.

3. Впервые разработан картирующий метод малоуглового рассеяния света (КМУРС), позволяющий получать бесконтактным неразрушающим способом изображения крупномасштабных электрически- и рекомбинационно-активных дефектов (визуализация) и

определять их параметры: изменение концентрации носителей тока в дефектах, энергию ионизации образующих дефекты центров. 4. На базе разработанного метода КМ У PC создана не имеющая аналогов экспериментальная установка, работающая в двух основных режимах: а) визуализация крупномасштабных электрически-актирных дефектов; б) визуализация рекомбинационно-активнъгх дефектов.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих научных публикациях:

1. О.В.Астафьев, А.Н.Бузышш, А.И.Бунальцев, Д.И.Мурин, В.П.Калинушкин, М.Г.Шошш, Классификация крупномасштабных примесных скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского и легированного бором. ФТП, т. 28, 1994, N3,

с. 407-414.

2. O.V.Astafiev, V.P.Kalinushkin, V.A.Yuryev, Nondestructive method for visualization of free carrier accumulations in standard semiconductor wafers. Abstr. of the Fifth International Conference on Defect Recognition and Image Processing in Semiconductors and Devices. Spain, 6-10 September, 1993, p. 2.

3. V.P.Kalinuskin, V.A.Yuryev, O.V.Astafiev, D.I.Murin, Possibilities of application of elastic Mid-IR laser light scattering for non-destructive inspection of materials and elements of microelectronics. Abstr. of the

First International Conference on Materials for Microelectronics, Institute of Materials, 17-19 October, 1994, Barselona, Spain, pp. 129-130.

4. O.VAstafiev, V.P.Kalinushkin, V.A.Yurycv, Non-destructive method for visualization of free carrier accumulations in standard semiconductors wafers. SPIE-Vol.2332, Advanced Laser Technologies, 1993,

pp. 138-145.

5. V.P.Kalinushkin, D.l.Murin, V.A.Yuiyev, O.V.Astafiev, A.I.Buvaltssv, Application of IR-laser light scattering for non-destructive control of near-surface regions in semiconductor substrates. SPIE-Vol.2332, Advanced Laser Technologies, 1993, pp. 146-153.

6. O.V.Astafiev, Mid-IR method for visualisation of electrically active defects in semiconductors, Proc. of the Third International School on Non-linear Optics, August, 1995, Alborg, Damnark.

7. О.В.Астафьев, А.И.Бувальцев, В.П.Калинушкин, Д.И.Мурии, В.А.Юрьев, Возможности использования упругого рассеяния света ИК-диаиазона для входного пооперационного контроля крупномасштабных рекомбинационно-активных дефектов в приповерхностных слоях полупроводниковых подложек. Поверхность, 1994, N 4, с. 79-83;

8. O.V.Astafiev, V.P.Kalinushkin, V.A.Yuryev, Mid-IR-Laser microscopy as a tool for defect investigation in bulk semiconductors. Int. Conf. on Microscopy of Semiconducting Materials, 1995, March, Oxford, UK, pp. 775-780.

9. O.V.Astafiev, V.P.Kalimishkm, V.AYuryev, A.N.Btizynin. N.I.Bletekan, Application oi' elastic mid-IR-laser-light scattering for non-destructive inspection in microelectronics. Abstr. MRS Spring Meeting, San Francisco, USA3 17-21 April, 1995. p. B6-15.

10. О.В.Астафьев, В.П.Калинушкин, В.А.Юрьев, Визуализация крупномасштабных скоплешп1 электрически активных дефектов в монокристаллах фосфида индия и арсенида галлия. ФТП, 1995, т. 29, в. 3, с. 455-457.

11. О.В.Астафьев, В.П.Калинушкин, В.А.Юрьев. Сканирующая лазерная микроскопия ¡s среднем инфракрасном диапазоне как метод исследования полупроводниковых материалов. Режим наведённого лазерным лучом рассеяния света. Письма в ЖТФ, 1995, т. 21,

в. 11, с. 52-60.

12. O.V.Abtafiev, V.P.Kalinushkm, V.A.Yuryev. A new optical technique for characterization of technological semiconductor wafers. Mater. Sci. Eng.B, 1995, v. 34, pp. 124-131.

13. O.V.Astafiev, V.P.iialinuslikin, V.A.Yuryev, A.N.Вигушп. N.I.Blctskan, Application of elastic mid-IR-iaser-light scattering for non-destructive inspection in microelectronics. 1995 MRS Spring Meeting Proc., San Francisco, USA, 17-21 April, 1995, Vol. 378, Defect- and Impurity-Engineered Semiconductors and Devices, 1995, MRS, USA, Pittsburgh, pp. 615-620.

14. О.В.Астафьев, В.П.Калинушкин, В.А.Юрьсв, Визуализация крупномасштабных рекомбинационно-акгивных дефектов в приповерхностных слоях технологических кремниевых подложек. Микроэлектроника, 1995, т. 24, N 6, с. 472-475.

15. О.В.Астафьев, В.П.Калинушкин, В.А.Юрьев, Сканирующая лазерная микроскош!я в среднем инфракрасном диапазоне как метод исследования полупроводниковых материалов. Визуализация крупномасштабных скоплений электрически-активных дефектов. Микроэлектроника, 1996, т.25, N 1, с. 41-53.

16. O.V.Astafiev, V.P. Kalinushkin, Non-destructive contactless toll for semiconductor wafer inspection, 17th Congress of the International Commission for Optics Proc., Taejon, Korea, August, 19-23, 1996, Paît 1, pp. 179-180.

17. O.V.Astafiev, V.P. Kalinushkin, N.V.Abrosimov, Inspection of recombination active defects for SiGe and solar cells. Abstr. Defects in Electronics Materials. MRS Fall Meeting, Boston, USA, 2-6 Dec., 1992, p. 177, (E6.25).