Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Метод инфракрасной спектроскопии широко применяется для опре- I деления содержания кислорода, углерода, бора и фосфора в кремнии. ( J Имеются также данные об определении этим методом содержания | галлия и алюминия [76, 77], азота [78]. j
Сущность метода состоит в изучении полос поглощения при пропуска-,, нии через образец кремния светового излучения в области инфракрасно-; го диапазона (ИК). Атомы кислорода и углерода (электрически неактив- ' ные примеси в кремнии) образуют с атомами кремния колебательную' і пару (осциллятор). В том месте спектра, где собственная частота коле-, баний пары соответствует частоте света, появляется полоса поглоще- 1 ния. Присутствие атомов бора и фосфора (электрически активных при- 1 месей в кремнии) приводит к. появлению в спектрах полос поглоще-. I ния, обусловленных электронными переходами под влиянием излуче- ‘ ния (ионизации) при низких температурах (< 30 К).
Этим методом можно определить концентрацию атомов примеси^ (замещения или внедрения), находящихся в твердом растворе. Такие^ атомы получили название оптически активных. Атомы примеси, свя--.' занные в соединения с собственной решеткой (типа карбида, диоксида^ и др.), определить этим методом нельзя.
Присутствие оптически активных атомов кислорода в кремнии при-j ВОДИТ к появлению ПОЛОСЫ поглощения В области ДЛИН ВОЛН ~ 9,1 MKM1J а углерода в области 16,5 мкм. Измерения проводят при комнатной ; температуре. Концентрация оптически активного кислорода (углерод 126 - -¦
да) пропорциональна его коэффициенту поглощения. Для определения содержания этих примесей измеряют спектральную зависимость коэффициента пропускания в области пика кислородного (углеродного) поглощения. По полученной зависимости и толщине образца рассчитывают концентрацию кислорода (углерода) в кремнии:
JV=T(IZd)In(F1Zr2), (17)
где 7 - калибровочный коэффициент (для кислорода У = 2,45 • IO17 см-2, для углерода V = 1,1 • IO17 см-2); d - толщина образца, мм; T1, T2-максимальное и минимальное значения коэффициента пропускания, %.
Этим методом можно определять содержание кислорода в кремнии от 1 • IO15 до 3 • IO18 см-3, а углерода от 5 • IO15 до 3 • IO18 см-3.
Концентрации бора и фосфора измеряют при температуре образца кремния < 20 К. На основе регистрации оптического пропускания ИК-излучения в диапазоне длин волн 4-22,2 мкм и определения коэффициентов оптического поглощения по уравнению (17) рассчитывают концентрации бора и фосфора в кремнии (калибровочный коэффициент при этом принимают для бора 7 = 3,5 • IO13 см-2 и для фосфора T = 2,3х XlO13 см-2). Пределы измерения концентраций бора и фосфора в кремнии составляют 1 • IO12 - 5 • IO14 см-3.
Характерные спектры пропускания кремния с примесями приведены на рис. 58.
Метод нейтронно-активационного анализа [58] является в настоящее время наиболее чувствительным для целого ряда примесей в кремнии. Материал облучают потоком нейтронов, и за счет ядерной реакции образуются радиоактивные изотопы примесных элементов. Распад образовавшихся изотопов сопровождается излучением ?-частиц и "У'Лучей, которые регистрируются специальными датчиками. По виду и интенсивности излучения определяют тип примесного элемента и его количество.
Нейтронно-активационный метод анализа позволяет одновременно определить более 60 элементов без разрушения образца. Предел обнаружения этим методом наиболее характерных примесей в кремнии имеет следующие значения, ат/см3: 5 • IO10 Ag; 1 • IO10 As; 1 • IO8 Au; 3 • IO10 Cd; 2-Ю10 Co; 8-Ю10 Cr; 2-Ю10 Cu; 4-Ю12 Fe; 7-Ю10 Ga; I - IO11 In;
1 • IO13 К; 4- IO13 Mn; 1 • IO12 Mo; 2- IO13 Na; 1 • IO12 Ni; 7- IO12 Pd;
2 • IO10 Pt; 2 • IO9 Sb; 3 • IO12 Sn; 5 • IO12 Sr; 5 • IO9 Ta; 1 • IO10 W; 3-Ю11 Zn.
В сочетании с радиационной авторадиографией нейтронно-активационный анализ позволяет контролировать также распределение примесей по поверхности исследуемого материала.
Для определения концентрации бора и фосфора в кремнии применяют также спектральный анализ низкотемпературной люминесценции
127
Рис. 58. Особенности ИК-спектра пропускания монокристаллов кремния, содержащих при- J меси в количестве, см'3: J
а — кислорода 1,0 • IO18; б - углерода 1,6 • IO17; в — бора и фосфора 9,9 • IO12 и 2,3 • IO13 щ соответственно Ц
многочастичных экситон-примесных комплексов. Этот метод основан I на измерении интенсивности излучения связанных экситонов. Люминес- ’ центный метод обладает большой производительностью и позволяет определять содержание бора и фосфора в кремнии от 1-Ю12 до 2 X XlO13 CM"3.
Кроме перечисленных методов, для оценки содержания примесей в кремнии используют рентгеновский флюоресцентный анализ и злект-ронно-зондовый микроанализ [58]. Сущность первого метода заключается в возбуждении атомов образца пучком рентгеновского излучения и определении присутствующих элементов по спектру и интенсивности вторичного излучения. При использовании второго метода исследуемый образец облучается пучком быстрых электронов с энергиями 5-50 кэВ. В результате в образце генерируется характеристическое рентгеновское излучение. С применением специальных детекторов измеряют интенсивность рентгеновского излучения, характерного для каждого элемента, и определяют содержание примеси.
