Способ контроля однородности слоев пористого кремния на монокристаллическом кремнии

 

Изобретение относится к неразрушающим способам контроля степени однородности строения слоев пористого кремния. Технический результата: повышение чувствительности способа при контроле однородности распределения пор в слоях пористого кремния. Сущность изобретения: облучают пористую поверхность светом и регистрируют интенсивность отраженного излучения с различных участков поверхности, измеряют интенсивность отраженного света, а затем структуру упруго деформируют изгибом так, чтобы пористая поверхность становилась выпуклой. Повторно измеряют интенсивность отраженного света и по характеру изменения регистрируемой интенсивности до и после деформирования судят о степени однородности слоя пористого кремния.

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим способам контроля степени однородности строения слоев пористого кремния, получаемых анодной обработкой монокристаллических кремниевых подложек в растворах фтористоводородной кислоты. Способ может использоваться в технологии микроэлектроники для оценок качества композиции с локальными или сплошными областями пористого кремния при изготовлении структур типа "кремний на изоляторе" и светоизлучающих приборов, а также при формировании глубоких сильнолегированных или диэлектрических слоев, гетеров для быстродиффундирующих фоновых примесей и других функционально-топологических элементов современных интегральных схем и дискретных приборов на кремнии.

Известны способы определения пористости твердых тел по их объему, массе или плотности, которые изменяются при появлении в комнатном монолитном материале открытых (выходящих на поверхность) или замкнутых пор [1]. Эти способы включают в себя измерение объемов или плотности твердых тел до и после формирования в них пор и расчет по формуле π = 1-V_M/V = 1-ρ/ρ_M , где V_M и ρ_M - объем и плотность комнатного образца; V и ρ - объем и плотность того же образца с порами.

Известен способ [2] определения пористости слоев пористого кремния на кремниевой подложке, включающий измерение массы подложки до и после анодной обработки, при которой формируется пористый кремний заданной толщины, и расчет по формуле π = d₀/d_пк·Δm/m₀ , где d₀ и m₀ - исходные толщина и масса кремниевой пластины; Δm - изменение массы после анодной обработки.

Недостатком способов [1, 2] является невозможность с их помощью контролировать степень однородности распределения пор по объему твердого тела или по локальному заданному объему, как, например, в случае структур кремниевая подложка - слой пористого кремния.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля структурной однородности и морфологии поверхности эпитаксиальных пленок, включающий облучение исследуемой поверхности светом и регистрацию интенсивности отраженного излучения с различных участков поверхности при сканировании светового луча или образца [3]. Величина и характер распределения интенсивности отраженного излучения несут информацию о микронеровностях (шероховатости) облучаемой поверхности и однородности ее микрорельефа.

Это способ, реализуемый в вариантах прямого наблюдения с помощью оптических микроскопов или фотометрии отраженного излучения, применяется для контроля поверхности слоев пористого кремния. Поры в кремнии после анодной обработки являются открытыми и создают микрорельеф (подобный картинам селективного травления кристаллов с дефектами), на котором происходит рассеяние света.

Недостаток способа [3] в том, что он обладает низкой чувствительностью к порам малых размеров, каналы которых могут частично или полностью быть закрыты диоксидом кремния. Окисление поверхности пор у кремния начинается уже при комнатной температуре и сопровождается частичным сглаживанием микрорельефа исследуемой поверхности, т. е. поры становятся "невидимыми". Вследствие этого способ [3] не позволяет контролировать однородность распределения пор на образцах, в которых протекают релаксационные процессы, связанные, например с "естественным" окислением пористого кремния.

Технический результат заявляемого изобретения - повышение чувствительности способа при контроле однородности распределения пор в слоях пористого кремния.

Технический результат достигается тем, что по способу контроля однородности слоев пористого кремния на монокристаллах кремния, включающему облучение пористой поверхности светом и регистрацию интенсивности отраженного излучения с различных участков поверхности, после измерения интенсивности отраженного света структуру упруго деформируют изгибом так, чтобы пористая поверхность становилась выпуклой, повторно измеряют интенсивность отраженного света и по характеру изменения регистрируемой интенсивности до и после деформирования судят о степени однородности слоя пористого кремния.

Новым, необнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что после первого измерения интенсивности отраженного света структуру упруго деформируют изгибом так, чтобы пористая поверхность становилась выпуклой, повторно измеряют интенсивность отраженного света и по характеру изменения регистрируемой интенсивности до и после деформирования судят о степени однородности слоя пористого кремния.

Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что при упругом деформировании изгибом структуры, когда поверхность пористого кремния становится выпуклой (т.е. в пористом кремнии действуют растягивающе упругие напряжения), происходит раскрытие каналов пор и образующийся микрорельеф изменяет рассеивающую способность поверхности. Упругий изгиб чистых кремниевых подложек без слоя пористого кремния не вызывает изменений интенсивности света, отраженного до и после деформации структур от одной и той же области на поверхности, делают заключение о наличии открытых пор в приповерхностном слое при сканировании структуры (или луча света), до и после деформации можно сделать топографию распределения пор вблизи исследуемой поверхности и оценивать степень однородности строения слоев пористого кремния. Способ дает возможность также контролировать пространственную неоднородность протекания релаксационных процессов на пористой поверхности, например при воздействии на структуры химически активных сред.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. Структуры с пористым кремнием освещают пучком света с малой угловой расходимостью и с помощью фотодиода регистрируют интенсивность отраженного излучения. В качестве источника излучения могут быть использованы лазеры, галогенные лампы или лампы накаливания с системой фокусировки. После фотометрирования отражения от недеформированного образца со сканированием по поверхности его упруго деформируют, например трех- или четырехточечным изгибом, создавая выпуклость на пористой стороне структур, и вновь фиксируют интенсивность отраженного излучения от тех областей поверхности, которые исследовали до деформации. Далее сопоставляют фотометрические кривые, полученные до и после деформации. Снижение интенсивности рассеянного света от какой-либо области поверхности означает наличие сквозных пор, выходящих на поверхности и изменяющих ее микрорельеф. Характер изменения интенсивности отраженного света при сканировании образца или луча вдоль выбранного направления указывает на степень однородности структуры пористого кремния. Например, при осциллирующем изменении интенсивности во время сканирования до и после деформирования структуры судят о неоднородности строения пористого кремния. Это позволяет использовать заявляемый способ как метод неразрушающего, экспрессного контроля качества слоев пористого кремния, которые, например, сформированы для окисления, производимого при изготовлении структур "кремний на изоляторе", требующих высокой степени однородности пористого кремния.

Пример практической реализации заявляемого способа.

На пластинах монокристаллического кремния марки КДБ-12(001) толщиной 450 мкм анодной обработкой в 20%-ном водном растворе фтористоводородной кислоты формировали слой пористого кремния толщиной 40±7 мкм. Средняя пористость, определенная взвешиванием образцов до и после анодирования по способу [2], составляла 18±6%.

Однородность пористого кремния по поверхности структур контролировали по способу-прототипу [3] и по заявляемому способу. В обоих случаях пористую поверхность исследовали в отраженном свете на микроскопе Neopfot-32 в режиме точечного измерения освещенности, которую измеряли кремниевым фотодиодом. Источником света служила галогенная лампа HLW. В процессе измерений образцы сканировали с шагом 1 мм. При измерениях по заявляемому способу образцы нагружали по схеме трехточечного изгиба, создавая напряжение в слое пористого кремния величиной (1,1-1,7)10⁸ Па.

Измерения без нагрузки (по способу-прототипу) показали, что интенсивность отраженного пористым кремнием излучения изменяется в среднем от 119 до 180 лк на длине сканирования 10 мм, т.е. градиент изменения интенсивности, коррелирующий с микронеровностями рельефа, связанными с выходом на поверхность пор, составляет 6,1 лк/мм.

При измерениях по заявляемому способу градиент интенсивности на той же базовой длине составил 1,7 лк/мм после деформации, т.е. контроль структур по заявляемому способу указывает на более однородное строение пористого кремния, чем способ-прототип.

Такой вывод подтверждают и данные металлографических исследований сколов на слоях пористого кремния.

Литература 1. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1981, с. 35-49.

2. Николаев К.П., Немировский Л.Н. Особенности получения и области применения пористого кремния в электронной технике. - Обзоры по электрон.техн. Сер. 2. полупроводн. приборы. 1989, Вып. 9(1506), с. 59.

3. Панков В.С., Суровинков М.В., Маркова Т.Н. Начальная стадия роста и морфология поверхности кремния при гетероэпитаксии на сапфире. - Изв. АН СССР Сер. Неорганические материалы, 1971, т. 7, N 9, с. 1481-1485 (прототип).

Формула изобретения

Способ контроля однородности слоев пористого кремния на кристаллах кремния, включающий облучение пористой поверхности светом и регистрацию интенсивности отраженного излучения с различных участков поверхности, отличающийся тем, что после измерения интенсивности отраженного света структуру упруго деформируют изгибом так, чтобы пористая поверхность становилась выпуклой, повторно измеряют интенсивность отраженного света и по характеру изменения регистрируемой интенсивности до и после деформирования судят о степени однородности слоя пористого кремния.