способ выявления структурных дефектов в кристаллах кремния

Формула изобретения

Способ выявления структурных дефектов в кристаллах кремния, включающий деформирование кристаллов, отжиг в деформированном состоянии, химическое травление после отжига и металлографический контроль, отличающийся тем, что деформирование осуществляют путем последовательного нанесения на исследуемую поверхность кристалла равнотолщинных пленок сначала монооксида германия и на нее монооксида кремния, а после отжига пленки удаляют химическим травлением.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для выявления и анализа структурных дефектов (дислокаций, ростовых и технологических микродефектов, дефектов упаковки и др.) в кристаллах кремния на различных стадиях изготовления полупроводниковых приборов.

Известен способ выявления структурных дефектов в кремнии, включающий высокотемпературный (до 900^oC) отжиг кристаллов перед травлением, охлаждение и обработку в селективном химическом травителе (Мильвидский М.Г., Лайнер Л.В. К методике выявления дислокации в монокристаллах кремния. - Заводская лаборатория, 1962, т. 28, N 4, с. 459-462). Отжиг перед травлением повышает чувствительность метода химического травления при выявлении дислокации за счет освобождения их от примесных атмосфер.

Недостаток известного способа - невысокая чувствительность к другим видам структурных дефектов, например, к ростовым микродефектам или дефектам упаковки, имеющим сильную связь с фоновыми и легирующими примесями.

Наиболее близким к заявляемому является способ выявления структурных дефектов в монокристаллах, включающий деформирование кристаллов (например, изгибом), отжиг в деформированном состоянии и химическое травление после отжига (Амелинкс С. "Методы прямого наблюдения дислокации". М.: Мир, 1968, с. 26-30). Этот способ позволяет изучить кинетические закономерности возникновения, размножения и движения дислокаций.

Недостаток этого способа - низкая чувствительность к дефектам недислокационного типа (кластерам, частицам второй фазы, дефектам упаковки), т.е. низкая выявляемость.

Техническим результатом изобретения является повышение выявляемости структурных дефектов в кремнии.

Данный технический результат достигается тем, что в способе выявления структурных дефектов в кристаллах кремния, включающем деформирование кристаллов, отжиг в деформированном состоянии, химическое травление и металлографический контроль, деформирование осуществляют путем последовательного нанесения на исследуемую поверхность кристалла равнотолщинных пленок сначала монооксида германия и на нее монооксида или диоксида кремния, а после отжига пленки удаляют химическим травлением.

Новым в заявляемом способе является то, что деформирование кристаллов осуществляют путем последовательного нанесения на исследуемую поверхность кристалла равнотолщинных пленок сначала монооксида германия и на нее монооксида или диоксида кремния, а после отжига пленки удаляют химическим травлением.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

На исследуемую поверхность кристалла методом вакуумного термического напыления наносят сначала пленку монооксида германия (GeO), а затем на нее тем же методом пленку монооксида или диоксида кремния (SiO или SiO₂). Режимы напыления выбирают такими, чтобы оба вида пленок имели одинаковые толщины. Само значение толщины пленок не имеет существенного значения для реализации способа и возможный диапазон толщин ограничен, с одной стороны, требованием сплошности пленок, а с другой, минимальной длительностью проведения операции напыления из соображений снижения экономических затрат. Эксперименты авторов показывают, что оптимальным можно считать диапазон толщин пленок 0,5-3,0 мкм. После напыления пленок структуры отжигают в вакууме или инертной атмосфере при температурах и длительностях, которые предварительно определяют на тестовых кристаллах той же марки кремния, что и исследуемые образцы. В зависимости от типа и величины электропроводности кристаллов, метода их выращивания и способов подготовки поверхности температура при отжигах может варьироваться от 0,1 Tm до 0,8 Tm (Tm - температура плавления кремния), а длительность термообработки может изменяться от секунд (импульсный нагрев) до нескольких часов. После отжига пленки удаляют химическим травлением в известных растворах. Например, пленки SiO и SiO₂ в растворах фтористо-водородной кислоты или в NH₄ F:HF:H₂O; пленки GeO стравливают в растворах ортофосфорной кислоты или в растворе H₃PO₄ : HNO₃ : CH₃COOH : H₂O. После стравливания пленок на исследуемой поверхности кремния образуются ямки травления, обусловленные структурными дефектами. Картину распределения, тип дефектов (в зависимости от геометрического вида ямок травления) и концентрацию их определяют так же, как и в известных способах, с помощью металллографического микроскопа. Для усиления эффекта выявляемости структурных дефектов при реализации заявляемого способа возможно дополнительное селективное травление поверхности кристаллов после удаления пленок GeO или SiO (SiO₂).

Положительный технический результат при использовании заявляемого способа достигается благодаря следующим явлениям, протекающим в структуре Si-GeO-SiO (SiO₂) при термообработке. Во-первых, из-за структурных различий (разная длина межатомных связей) и в следствие несовпадения коэффициентов термического расширения кремния и материалов пленок в кремниевой подложке вблизи границы раздела возникают механические напряжения, стимулирующие распад примесных атмосфер вблизи дефектов. Во-вторых, монооксидная фаза германия является метастабильным соединением, которое при повышенных температурах переходит в диоксид германия и чистый германий. Наиболее интенсивно этот процесс протекает при захвате пленкой GeO примесей, прежде всего кислорода из кремния. Наличие пленки SiO (или SiO₂) на монооксиде германия препятствует попаданию примесей из внешней среды, т.е. пленка моно- или диоксида кремния активизирует канал геттерирования примесей из подложки в GeO и тем самым более эффективно очищает от примесных атмосфер выявляемые после отжига дефекты в кремнии. В-третьих, структурные превращения в монооксиде германия сопровождаются генерацией неравновесных точечных дефектов, прежде всего вакансии в кремниевой подложке вследствие локальных изменений полей упругих напряжений, возникновения упругих волн, перераспределения (гетерирования) примесей. Появление потоков точечных дефектов в подложке стимулирует диффузию примесей от экранируемых ими дефектов, т.е. повышает также их выявляемость после отжига и химического стравливания пленок.

Примеры практической апробации заявляемого способа.

Пример 1.

По способу-прототипу и заявляемому способу исследовали дефектность кристаллов кремния КДБ-12 (100), выращенных методом Чохральского. При использовании способа-прототипа кристаллы деформировали упругим изгибом по схеме осесимметричного нагружения до радиуса кривизны 182 м. При этом исследовались образцы, деформированные таким образом, что изучаемая поверхность была вогнутой, и такие, у которых эта поверхность была выпуклой. Собственно, в первом случае в приповерхностной области действовали напряжения сжатия, а во втором - растяжения. При использовании заявляемого способа на исследуемую поверхность кристаллов на установке УВН-71П-3 наносили последовательно сначала пленку монооксида германия, а затем пленку монооксида или диоксида кремния. Формировали две партии структур с толщинами пленок, равными 1 (0,2) мкм, и толщинами 2,5 (0,2) мкм. Температура подложек при напылении не превышала 200^oC. Далее деформированные образцы отжигали в вакууме ~10^-5 мм рт. ст. при температурах 400 и 600^oC в течение 30 мин. После отжига кристаллы, обработанные по способу-прототипу, травили в растворе Cr₂O₃ : HF = 2 : 3 в течение 5 - 8 мин. С кристаллов, подготовленных по заявляемому способу, последовательным травлением в растворе HF и затем в композиции H₃PO₄ : HNO₃ : CH₃COOH : H₂O удаляли пленки окислов кремния и германия. Подготовленная таким образом поверхность образцов исследовалась на металлографическом микроскопе МИМ-7. Результаты измерений средней (по 10-11 полям зрения микроскопа) концентрации ямок травления размером 3-10 мкм и 1-2,5 мкм, которые идентифицируются обычно с микродефектами A- и B-типа, а также дисперсии значения концентрации представлены в табл. 1. Дефекты вытравливались в виде плоскодонных ямок травления, чаще всего с закругленным контуром.

Как видно из данных табл. 1, заявляемый способ позволяет выявить большее число ростовых дефектов обоих типов и зафиксировать степень неоднородности их распределения по исследуемой поверхности, чем способ-прототип. Видно также, что толщина пленок и температура отжига слабо влияет на выявляемость дефектов. Наиболее вероятной причиной незначительного разброса приведенных результатов может быть хорошо известный факт различия распределения спектра дефектов вдоль сечения слитков, из которого готовились исследуемые пластины.

Пример 2.

На пластинах кремния марки КЭФ-0,1 с ориентацией поверхности [111], нарезанных и подготовленных из одного слитка, определяли толщину остаточного структурно-нарушенного слоя после химико-механического полирования (ХМП) исследуемой поверхности суспензией аэросила. Использовали четыре метода:

- селективное химическое травление в хромовом травителе в сочетании с послойным полирующим травлением;

- упругое деформирование методом осесимметричного изгиба, отжиг при различных режимах, селективное химическое травление в хромовом травителе в сочетании с полирующим травлением (способ-прототип);

- упругое деформирование путем последовательного нанесения пленок монооксида германия и монооксида кремния различной толщины, отжиг при различных температурах и длительностях, стравливание пленок с исследуемой поверхности и селективное химическое травление в хромовом травителе и послойное полирующее травление (заявляемый способ);

- измерение микротвердости на приборе ПМТ-3 при нагрузке 20 cH по мере послойного химического сполировывания кристаллов (контрольный метод).

Послойное сполировывание исследуемой поверхности проводили в растворе состава HF : HNO₃ : CH₃OOH = 1:40:1 со скоростью 0,8 - 1,0 мкм/мин. Радиус кривизны пластин при использовании способа-прототипа составлял 18 м при температурах отжига до 600^oC и 25-27 м при температурах выше 600^oC, что обеспечивало снижение вероятности микропластической деформации кремния при термообработках. За глубину остаточного структурно-нарушенного слоя после химико-механического полирования принимали максимальную толщину химически сполированного слоя, при достижении которой картина селективного травления (т. е. вид и концентрация ямок травления) и значения микротвердости перестают изменяться. Селективно протравленные кристаллы исследовали на металлографическом микроскопе МИМ-7. Результаты измерений плотности дефектов усредняли по 10 полям зрения микроскопа. По данным, полученным на одном кристалле и на партии (до 5 шт.) однотипно обработанных пластин, наряду со средней глубиной нарушенного слоя оценивали и дисперсию этих значений. Результаты экспериментов представлены в табл. 2. Во всех случаях на картинках селективного травления после ХМП кремния выявились преимущественно плоскодонные ямки или бугорки травления (примерно в равных концентрациях), которые по известным литературным данным связываются с кластерами собственных точечных дефектов, возникающих при полировании. На отдельных образцах выявились дислокации, плотность которых не превышала 2,810² см^-2.

Как видно из данных табл. 2, значения глубины нарушенных слоев после ХМП, определенные с использованием заявляемого способа, практически совпадают с величиной, найденной по результатам прецизионных контрольных измерений методом микротвердости. Эти значения почти в два раза превышают данные, полученные известными способами селективного травления, и согласуются с хорошо известным фактом образования, глубокой миграции и накопления в виде кластеров собственных точечных дефектов в кремнии при полировании. Кроме того, результаты табл. 2 свидетельствуют о практической независимости степени выявляемости дефектов структуры в кремнии по заявляемому способу от таких факторов, как: толщина пленок монооксида германия и моно- или диоксида кремния, длительность и температура отжига.

Таким образом, заявленный технический результат - повышение выявляемости структурных дефектов в кремнии при реализации заявляемого способа достигнут.