Способ выявления структурных дефектов в монокристаллах

 

Использование: для анализа структурных дефектов в кристаллах на различных этапах изготовления дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения: производят деформирование кристалла приложением к нему механической нагрузки, затем производят химическое травление в избирательно действующем на дефекты растворе, кристалл до травления деформируют путем обработки его в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20-40 кГц в течение 10-30 мин. Технический результат изобретения - повышение чувствительности избирательного химического травления к структурным дефектам в монокристаллах. 2 табл.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для обнаружения и анализа структурных дефектов в кристаллах на различных этапах изготовления дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем.

Известен способ выявления структурных дефектов в кремнии, включающий высокотемпературный (до 1200 K) отжиг кристаллов перед травлением, охлаждение и обработку в избирательно действующем на дефекты травителе [1]. Предварительный высокотемпературный отжиг повышает чувствительность способа выявления дефектов, в частности дислокаций, за счет освобождения их от примесных атмосфер, экранирующих собственное поле упругих напряжений выявляемых дефектов, с наличием которого и связан эффект избирательного действия селективных травителей.

Вместе с тем, использование отжига при высоких температурах является и существенным недостатком известного способа [2], поскольку наряду с растворением примесных атмосфер вокруг выявляемых дефектов в кристалле активируются процессы трансформации, образования, накопления и распада примесно-дефектных комплексов и кластеров, которые также обнаруживаются при избирательном травлении и затрудняют анализ истинного исходного состояния (спектра и концентрации) дефектности материала. Кроме того, способ [1] не применим для исследования кристаллов полупроводниковых соединений, отжиг которых при повышенных температурах может сопровождаться нарушением стехиометрического состава материалов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ выявления структурных дефектов в монокристаллах, включающий деформирование кристалла приложением к нему механической нагрузки и последующее химическое травление в избирательно действующем на дефекты растворе [2]. Этот способ хорошо используется при изучении процессов возникновения, движения и размножения дислокаций в кристаллах с различным типом межатомных связей. Для этого кристал деформируют путем приложения довольно высоких по амплитуде статических или динамических механических нагрузок, которые должны обеспечивать отрыв дислокаций от закрепляющих их примесных атмосфер, преодоление потенциальных барьеров образования, движения и размножения, достигающих величин нескольких ГПа для большинства материалов.

Недостаток способа [2] в том, что он обладает низкой чувствительностью по отношению к ростовым и технологическим структурным дефектам, вокруг которых в результате процессов диффузионно-дрейфового перераспределения легирующих и фоновых примесей образовались атмосферы. Такие дефекты не выявляются избирательным травлением, а приложение к кристаллу высоких механических напряжений, как указывалось, значительно трансформирует спектр, концентрацию и характер распределения структурных нарушений, т.е. не позволяет изучать исходное состояние дефектности в материале.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности избирательного химического травления к структурным дефектам в монокристаллах.

Технический результат достигается тем, что в способе выявления структурных дефектов в монокристаллах, включающем деформирование кристалла приложением к нему механической нагрузки и последующее химическое травление в избирательно действующем на дефекты растворе, кристалла до травления деформируют путем обработки его в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20 - 40 кГц в течение 10 - 30 мин.

Новым, но обнаруженным при анализе научно-технической и патентной литературы в заявляемом способе является то, что кристалл до травления деформируют путем обработки его в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20 - 40 кГц в течение 10 - 30 мин.

Технический результат в заявляемом способе достигается благодаря тому, что обработка кристалла до избирательного травления ультразвуком в химически неактивной, т.е. не создающей дополнительных неконтролируемых ямок травления жидкости, приводит к растворению примесных атмосфер вокруг структуры дефектов. Знакопеременные динамические поля упругих напряжений, возникающие в кристалле под действием ультразвука и упругих волн, образующихся при разрушении (захлопывании) кавитационных газовых пузырьков в химически неактивной жидкости, инициируют отрыв примесных атомов от атмосфер и их миграцию в объем кристалла, т.е. приводят к рассасыванию примесных атмосфер, экранирующих выявляемые дефекты. В результате исчезновения примесных атмосфер увеличиваются амплитуды собственных упругих полей дефектов, возрастает разность в скоростях химического травления кристалла вблизи и вдали от дефектов, а следовательно, повышается чувствительность метода избирательного травления к нарушениям кристаллической структуры материалов.

Использование ультразвука с частотой 20 - 40 кГц обеспечивает оптимальный и достаточно низкий уровень давления в кавитирующей химически неактивной жидкости (менее 10 МПа), которые не могут привести к образованию новых дефектов и перестройке исходных. С повышением частоты увеличивается порог кавитации и соответственно повышается давление и температура обрабатываемого кристалла, что может сопровождаться неконтролируемой перестройкой выявляемых избирательным травлением дефектов. При частотах менее 20 кГц амплитуда давления в упругих волнах, возникающих в кристаллах, оказывается недостаточной для активации процессов диффузионно-дрейфового рассасывания примесных атмосфер вокруг дефектов. Важно также, что использование частотного диапазона 20 - 40 кГц ультразвука позволяет реализовывать заявляемый способ на серийных установках для ультразвуковой очистки полупроводниковых кристаллов.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Исследуемый кристалл с подготовленной для проведения избирательного химического травления качественной поверхностью помещают в ультразвуковую ванну, заполненную химически неактивной жидкостью, например деионизованной водой, изопропиловым спиртом и т. п. , и обрабатывают ультразвуком в течение 10 - 30 мин. Большее время обработки используют для кристаллов с высокими значениями упругопластических характеристик, например, для кремния, германия или фосфида галлия. Для менее механически прочных материалов, например антимонидов, наряду с меньшими длительностями ультразвуковой обработки целесообразно защищать исследуемую поверхность кристалла пленкой химически стойкого лака или фоторезиста, которые препятствуют возникновению микродефектов на поверхности в местах схлопывания кавитирующих газовых пузырьков. После обработки ультразвуком с частотой из интервала 20 - 40 кГц и интенсивностью 0,5 - 5 Вт/см (параметры стандартных промышленных установок для очистки полупроводниковых материалов) кристаллы подвергают химическому травлению в избирательно действующем на данный тип (или типы) структурных дефектов в растворе. Далее после отмывки от продуктов химической реакции и следов реактивов и сушки картина избирательного травления поверхности кристалла анализируется с помощью металлографического микроскопа.

Длительность обработки ультразвуком в течение 10 - 30 мин найдена авторами заявляемого способа экспериментально при исследовании кристаллов с различными механическими характеристиками: Si (микротвердость H = 11,50 - 13,30 ГПа), GaAs (H = 7,5 ГПа), Ge (H = 7,8 ГПа), InSb (H = 2,2 ГПа). Было установлено, что при временах обработки, меньших 10 мин, не все ростовые дислокации и микродефекты (кластеры) выявляются при избирательном травлении. Часть дефектов, заэкранированных примесными атмосферами, не обнаруживаются при малых длительностях и начинают выявляться на картинах травления при временах обработки ультразвуком, больших 10 мин. На всех типах материалов растворение примесных атмосфер активируется и завершается при времени до 30 мин. При временах обработки более 30 мин плотность выявляемых избирательным травлением дефектов на всех кристаллах остается постоянной, что свидетельствует о том, что процесс растворения примесных атмосфер завершился и дальнейшее увеличение длительности обработки не повышает чувствительности способа.

Примеры практической реализации заявляемого способа.

Пример 1.

Исследовали ростовую микродефектность в бездислокационных кристаллах кремния КДБ - 12 (001) толщиной 460 мкм. Ростовые микродефекты в кристаллах выявляли избирательным травлением образцов в растворе состава CrO₃ (50%) : HF (49%) = 1 : 1 с анализом картины травления на металлографическом микроскопе Neophot 32. Плотность микродефектов (среднее и дисперсия по поверхности) подсчитывали по результатам измерений не менее, чем по 20 полям зрения микроскопа с надежностью 0,95. Исследовали кристаллы, подготовленные до избирательного травления по способу-прототипу [2] : образцы деформировали упругим изгибом при температуре 500 - 550^oC, создавая в приповерхностном анализируемом слое напряжения 0,6 - 0,65 ГПа; по заявляемому способу путем обработки образцов ультразвуком в деионизованной воде на установке УЗМУ - 1 на частоте 40 кГц. Контрольными служили образцы, не подвергавшиеся механическому нагружению до избирательного травления.

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Как видно из данных табл. 1, заявляемый способ позволяет существенно увеличить чувствительность метода избирательного травления по отношению к ростовым микродефектам в кремнии по сравнению с контрольным и способом-прототипом. Результаты показывают также, что при длительностях обработки ультразвуком менее 10 мин еще не все дефекты выявляются на картинах травления. Оптимальной является длительность обработки в интервале 10 - 30 мин. Увеличение длительности не оказывает влияния на плотность выявляемых дефектов.

Пример 2.

Исследовали дислокационную структуру кристаллов арсенида галлия марки АГЧП - 5 (001) толщиной 400 мкм. Дислокации выявляли травлением образцов в растворе состава HNO₃ (70%) : HF (49%) : H₂O + Ag NO₃ (1%) = 3 : 1 : 2 + 1% Ag NO₃ при комнатной температуре. Обработку ультразвуком частотой 20 кГц проводили в установке УЗУ - 0,25 в растворе изопропилового спирта. Часть образцов до избирательного травления готовили по способу-прототипу путем одноосного деформирования вдоль направлений < 110 > напряжением 0,35 - 0,4 ГПа при температуре 350 - 400^oC. Контрольными служили кристаллы, не деформировавшиеся до избирательного травления.

Результаты измерений плотности дислокаций в кристаллах, выявленных различными способами, приведены в таблице 2 как наибольшие и наименьшие значения плотности, зафиксированные данным способом.

Как видно из табл. 2 обработка ультразвуком в течение 10 - 30 мин позволяет повысить чувствительность метода выявления дислокаций в кристаллах арсенида галлия по сравнению с известными способами.

Литература 1. Мильвидский М.Г., Лайнер Л.В. К методике выявления дислокаций в монокристаллах кремния. - Заводская лаборатория, 1962, т.28, N 4, с. 459-462.

Сангвал К. Травление кристаллов: Теория, эксперимент, применение, пер. с англ. М.: Мир, 1990, с.392-403.

Формула изобретения

Способ выявления структурных дефектов в монокристаллах, включающий деформирование кристалла приложением к нему механической нагрузки и последующее химическое травление в избирательно действующем на дефекты растворе, отличающийся тем, что кристалл до травления деформируют путем обработки его в химически неактивной жидкости ультразвуком с частотой 20 - 40 кГц в течение 10 - 30 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3