RU2156520C2 - Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates - Google Patents
Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates Download PDFInfo
- Publication number
- RU2156520C2 RU2156520C2 RU98112736A RU98112736A RU2156520C2 RU 2156520 C2 RU2156520 C2 RU 2156520C2 RU 98112736 A RU98112736 A RU 98112736A RU 98112736 A RU98112736 A RU 98112736A RU 2156520 C2 RU2156520 C2 RU 2156520C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- irradiation
- plates
- parameter
- particles
- wafers
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам контроля степени дефектности и структурного совершенства кристаллических полупроводниковых пластин и может быть использовано для входного контроля качества полупроводниковых материалов подложек, на которых изготавливаются дискретные приборы и интегральные схемы. The invention relates to methods for controlling the degree of defectiveness and structural perfection of crystalline semiconductor wafers and can be used for incoming quality control of semiconductor substrate materials on which discrete devices and integrated circuits are manufactured.
Известен способ контроля монокристаллических полупроводниковых пластин путем выявления в них кристаллических дефектов с помощью химического избирательного травления в специальных растворах [1]. Этот способ применяется для обнаружения по картинам избирательного химического травления таких дефектов в кристаллах, как дислокации и дислокационные скопления, кластеры и частицы второй фазы. Недостаток известного способа в том, что он не позволяет выявлять примесно-дефектные комплексы, которые не обладают большими значениями собственных полей упругих напряжений, обуславливающими преимущественное растворение кристалла в месте выхода структурного дефекта на поверхность, но способные оказывать существенное влияние на электрофизические свойства контролируемого материала как генерационно-рекомбинационные центры. Другими словами, способ [1] имеет нужную чувствительность к дефектам, слабо искажающим кристаллическую решетку контролируемой пластины. A known method of monitoring single-crystal semiconductor wafers by detecting crystalline defects in them using chemical selective etching in special solutions [1]. This method is used to detect defects in crystals, such as dislocations and dislocation clusters, clusters, and particles of the second phase from patterns of selective chemical etching. The disadvantage of this method is that it does not allow to identify impurity-defect complexes that do not have large values of the intrinsic fields of elastic stresses, which determine the predominant dissolution of the crystal at the exit of the structural defect to the surface, but which can significantly affect the electrophysical properties of the controlled material as generation -recombination centers. In other words, the method [1] has the desired sensitivity to defects that slightly distort the crystal lattice of the controlled plate.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля полупроводниковых материалов [2], включающий измерение основных параметров пластины, облучение пластины легкими частицами с энергией 0.5-5 МэВ до изменения измеряемых параметров, прогрев в течение 10-60 минут при температуре полного отжига контролируемого материала и вновь измерения основных параметров, значения которых сравнивают с первоначально измеренными и по результатам сравнения судят о структурном совершенстве подложек и применимости их для изготовления полупроводниковых приборов. Перед измерениями по способу [2] пластины, отрезанные от слитка, подвергают механическому шлифованию, полированию и химическому травлению для создания высококачественной и геометрически правильной, с минимальной микрошероховатостью поверхностью сторон пластин, на которых контролируют время жизни неравновесных носителей заряда или концентрацию основных носителей заряда и т.п. характеристики, отражающие степень структурного совершенства полупроводникового материала. The closest technical solution to the claimed one is a method for controlling semiconductor materials [2], including measuring the basic parameters of the wafer, irradiating the wafer with light particles with an energy of 0.5-5 MeV to change the measured parameters, heating for 10-60 minutes at a temperature of complete annealing of the controlled material and again, measurements of the main parameters, the values of which are compared with those originally measured, and the results of the comparison show the structural perfection of the substrates and their applicability for manufacturing semiconductor devices. Before measurements by the method [2], the plates cut off from the ingot are subjected to mechanical grinding, polishing and chemical etching to create a high-quality and geometrically correct, with minimal micro-roughness surface of the sides of the plates, on which the lifetime of nonequilibrium charge carriers or the concentration of the main charge carriers are controlled, and t .P. characteristics reflecting the degree of structural excellence of a semiconductor material.
Недостаток способа [2] в том, что при облучении вследствие упругих столкновений внедряемых частиц с атомами кристаллической решетки контролируемых пластин в последних возникают и накапливаются радиационные дефекты. Эти дефекты сами по себе и в результате взаимодействия с исходными структурными нарушениями в материале способны существенно изменить зарядовые состояния (что очень важно для полупроводников), спектр, концентрацию и профиль распределения по пластине выявляемых дефектов. То есть радиационные дефекты являются одной из основных причин низкой чувствительности способа контроля структурного совершенства полупроводников [2]. Прогрев пластин после облучения по способу [2] приводит к отжигу простейших дефектов-комплексов, однако возникающие при этом собственные точечные дефекты (вакансии, междоузельные атомы) кроме внешней поверхности частично уходят в объем пластины и дополнительно неконтролируемо изменяют структуру и зарядовое состояние исходных нарушений кристаллического строения материала. Это также снижает чувствительность способа контроля [2] к структурным дефектам в полупроводниках. The disadvantage of the method [2] is that during irradiation due to elastic collisions of the introduced particles with the atoms of the crystal lattice of the controlled plates, radiation defects arise and accumulate in the latter. These defects themselves and as a result of interaction with the initial structural defects in the material can significantly change the charge states (which is very important for semiconductors), the spectrum, concentration and distribution profile of the detected defects on the plate. That is, radiation defects are one of the main reasons for the low sensitivity of the method for controlling the structural perfection of semiconductors [2]. The heating of the plates after irradiation by the method [2] leads to annealing of the simplest defect complexes, however, the resulting point defects (vacancies, interstitial atoms), apart from the outer surface, partially go into the plate’s volume and additionally uncontrollably change the structure and charge state of the initial violations of the crystal structure material. It also reduces the sensitivity of the control method [2] to structural defects in semiconductors.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при контроле структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин за счет исключения неконтролируемого влияния радиационных дефектов на измеряемые структурно-чувствительные параметры материала. The technical result of the proposed method is to increase the sensitivity when controlling the structural perfection of single-crystal semiconductor wafers by eliminating the uncontrolled effect of radiation defects on the measured structurally sensitive parameters of the material.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение чувствительности при контроле структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин за счет исключения неконтролируемого влияния радиационных дефектов на измеряемые структурно-чувствительные параметры материала. Технический результат достигается тем, что в способе контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин, включающем механическое шлифование, полирование и химическое полирование поверхности контролируемой стороны пластин, измерение структурно- чувствительного параметра материала и облучение пластин легкими частицами с энергией 0.5-5 МэВ до изменения измеряемого параметра, облучение пластин проводят с противоположной контролируемой стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно нарушенный слой толщиной не менее пробега внедряемых частиц. The technical result of the proposed method is to increase the sensitivity when controlling the structural perfection of single-crystal semiconductor wafers by eliminating the uncontrolled effect of radiation defects on the measured structurally sensitive parameters of the material. The technical result is achieved by the fact that in the method for controlling the structural perfection of single-crystal semiconductor wafers, including mechanical grinding, polishing and chemical polishing of the surface of the controlled side of the wafers, measuring the structurally sensitive material parameter and irradiating the wafers with light particles with an energy of 0.5-5 MeV until the measured parameter changes, irradiation of the plates is carried out from the opposite controlled side, which before irradiation is mechanically ground or polished and forms ruyut structurally damaged layer thickness of not less path introduced particles.
Новым, не обнаруженным при анализе патентной и научно-технической литературы, в заявляемом способе является то, что облучение пластин проводят с противоположной стороны, которую до облучения механически шлифуют или полируют и формируют структурно нарушенный слой толщиной не менее пробега внедряемых частиц, а о степени структурного совершенства пластин судят по величине изменения измеряемого параметра после облучения. The new, not found in the analysis of patent and scientific and technical literature, in the claimed method is that the irradiation of the plates is carried out on the opposite side, which before irradiation is mechanically ground or polished and form a structurally broken layer with a thickness of not less than the path of the introduced particles, and the degree of structural the perfection of the plates is judged by the magnitude of the change in the measured parameter after irradiation.
Технический результат при реализации заявляемого способа достигается благодаря тому, что облучение пластин легкими частицами со стороны, на которой сформирован механическим шлифованием или полированием нарушенный слой, толщиной не менее пробега внедряемых частиц, приводит к тому, что первичные дефекты, возникающие при торможении частиц, полностью локализуются в этом нарушенном слое. Степень дефектности материала фиксируется по параметрам полупроводника, измеряемым на хорошо подготовленной, качественной поверхности, обратной по отношению к облучаемой стороне пластин. Эта сторона подвергается химико-динамическому полированию перед измерениями. Перестройка исходных дефектов, которая и приводит к изменению измеряемых структурно-чувствительных параметров контролируемых пластин при облучении, целиком связана с действием на дефекты упругих волн. При этом упругие волны, возникающие в зоне торможения внедряемых частиц, т.е. в нарушенном механической обработкой слое, приводят к снижению концентрации примесных атомов в атмосферах, окружающих стабильные дефекты (кластеры, дислокации и т.д.), т.е. делают эти дефекты электрически активными, а следовательно, выявляемыми. Кроме того, упругие волны способствуют распаду мелких, нестабильных примесно-дефектных комплексов, о наличии которых в исходных пластинах можно судить из сравнения результатов измерений структурно-чувствительных параметров на химически полированной стороне до и после облучения. The technical result in the implementation of the proposed method is achieved due to the fact that the irradiation of the plates with light particles from the side on which the broken layer is formed by mechanical grinding or polishing, with a thickness of not less than the mean free path of the introduced particles, leads to the fact that the primary defects that occur during particle braking are completely localized in this broken layer. The degree of defectiveness of the material is recorded by semiconductor parameters measured on a well-prepared, high-quality surface that is opposite to the irradiated side of the plates. This side is chemically dynamic polished before measurements. The rearrangement of the initial defects, which leads to a change in the measured structurally sensitive parameters of the controlled plates during irradiation, is entirely associated with the action of elastic waves on the defects. In this case, elastic waves arising in the braking zone of the introduced particles, i.e. in the layer disturbed by mechanical treatment, they lead to a decrease in the concentration of impurity atoms in the atmospheres surrounding stable defects (clusters, dislocations, etc.), i.e. make these defects electrically active, and therefore detectable. In addition, elastic waves contribute to the decay of small, unstable impurity-defect complexes, the presence of which in the initial plates can be judged by comparing the results of measurements of structurally sensitive parameters on the chemically polished side before and after irradiation.
Заявляемый способ реализуют следующим образом. После отрезания от слитка пластин, структурное совершенство которых необходимо контролировать, поверхность одной из сторон пластин подвергают механическому шлифованию поверхности, на которой измеряют затем какой-либо структурно-чувствительный параметр. В качестве такого параметра могут быть время жизни, концентрация и подвижность носителей заряда, электрическое поверхностное сопротивление, период кристаллической решетки и т.п. Другую сторону пластин шлифуют и полируют свободным или связанным абразивом и формируют структурно-нарушенный слой, толщина которого должна быть не меньше длины свободного пробега внедряемых частиц данной энергии в пластине конкретного полупроводника. После подготовки обеих сторон пластин и измерений параметра материала на химически полированной стороне их облучают легкими частицами (электроны, ионы водорода, гелия и т. д. ) с энергией из интервала 0.5-5 МэВ. Дозу облучения выбирают такой, чтобы на обратной стороне фиксировались изменения измеряемого структурно-чувствительного параметра. Для этого последовательно чередуют этапы измерений и облучения при известной длительности (т.е. промежуточной дозе внедрения) или осуществляют измерение непосредственно в процессе облучения. По величине разности значений фиксируемого структурно-чувствительного параметра, измеренного до и после облучения, судят о степени дефектности материала, т. е. о степени его структурного совершенства. При сопоставлении и для сравнения структурного совершенства различных материалов или одного и того же материала с различным типом и величиной электропроводимости удобно показывать такую характеристику как скорость изменения фиксированного параметра с дозой облучения одним и тем же видом излучения: R-R0/Ф (R,R0 - значения фиксированного параметра до и после облучения; Ф - доза облучения). Чем больше изменение приращения R-R0 с дозой, тем выше остаточная дефектность пластин, т. е. тем ниже их структурное совершенство. Преимуществом заявляемого способа по сравнению со способом [2] является также и то, что он позволяет осуществлять локальный контроль остаточной дефектности за счет сканирования пучка излучения по поверхности структурно нарушенной стороны пластины и синхронно фиксировать изменение измеряемого параметра на обратной полированной стороне. В отличие от этого, использование отжига после облучения в способе [2] искажает спектр, концентрацию и распределение дефектов сразу во всем объеме пластины.The inventive method is implemented as follows. After cutting off the ingot of plates, the structural perfection of which must be controlled, the surface of one of the sides of the plates is subjected to mechanical grinding of the surface, on which any structurally sensitive parameter is then measured. Such a parameter can be the lifetime, concentration and mobility of charge carriers, electrical surface resistance, crystal lattice period, etc. The other side of the wafers is ground and polished with a free or bonded abrasive and a structurally disturbed layer is formed, the thickness of which should be not less than the mean free path of the introduced particles of a given energy in the wafer of a particular semiconductor. After preparing both sides of the plates and measuring the material parameter on the chemically polished side, they are irradiated with light particles (electrons, hydrogen ions, helium, etc.) with energies from the range of 0.5-5 MeV. The radiation dose is chosen such that changes in the measured structurally sensitive parameter are recorded on the reverse side. To do this, the measurement and irradiation steps are sequentially alternated at a known duration (i.e., an intermediate dose of introduction) or they are measured directly during irradiation. The magnitude of the difference in the values of a fixed structurally sensitive parameter measured before and after irradiation is used to judge the degree of defectiveness of the material, i.e., the degree of its structural perfection. When comparing and comparing the structural perfection of different materials or the same material with different types and magnitudes of electrical conductivity, it is convenient to show such a characteristic as the rate of change of a fixed parameter with the radiation dose of the same type of radiation: RR 0 / Ф (R, R 0 - values of a fixed parameter before and after irradiation; F - dose of irradiation). The larger the change in increment RR 0 with the dose, the higher the residual imperfection of the plates, i.e., the lower their structural perfection. The advantage of the proposed method compared to the method [2] is also that it allows local control of residual defects by scanning the radiation beam on the surface of the structurally broken side of the plate and synchronously record the change in the measured parameter on the reverse polished side. In contrast, the use of annealing after irradiation in the method [2] distorts the spectrum, concentration and distribution of defects immediately in the entire volume of the plate.
Пример практической реализации заявляемого способа. An example of a practical implementation of the proposed method.
По заявляемому способу и способу-прототипу [2] осуществляли контроль структурного совершенства монокристаллических пластин кремния КДБ-12 (001) толщиной 460 мкм. Пластины облучали потоками α-частиц с энергией 4.5±0.2 МэВ и плотностью потока 1•109 см-2с-1 от радионуклидного источника на основе полония-210. Облучение проводили в вакууме 10-4 мм рт.ст. при комнатной температуре. При контроле по способу [2] пластины облучали с химико-динамически полированной стороны, а при использовании заявляемого способа облучение проводилось с обратной стороны, на которой шлифованием суспензией свободного абразива М-14 был предварительно сформирован структурно-нарушенный слой. Толщина нарушенного слоя составляла 20-24 мкм, что превышало пробег альфа-частиц в кремнии, равный 14-15 мкм. До и после облучения, а также поле обжига пластин, контролируемых по способу прототипу [2] в азоте при температуре 700oC в течение 60 мин, на установке АМЦ-1467 измеряли поверхностное электрическое сопротивление пластин на химически полированной стороне. Точность измерения была не хуже ± 3%.According to the claimed method and the prototype method [2], the structural perfection of single-crystal silicon wafers KDB-12 (001) with a thickness of 460 μm was monitored. The plates were irradiated with fluxes of α particles with an energy of 4.5 ± 0.2 MeV and a flux density of 1 • 10 9 cm -2 s -1 from a radionuclide source based on polonium-210. Irradiation was carried out in a vacuum of 10 -4 mm Hg. at room temperature. In the control according to the method [2], the plates were irradiated from the chemically dynamically polished side, and when using the proposed method, the irradiation was carried out from the reverse side, on which a structurally-broken layer was previously formed by grinding a suspension of free abrasive M-14. The thickness of the damaged layer was 20-24 microns, which exceeded the range of alpha particles in silicon, equal to 14-15 microns. Before and after irradiation, as well as the firing field of the wafers controlled by the prototype method [2] in nitrogen at a temperature of 700 o C for 60 min, the surface electric resistance of the wafers on the chemically polished side was measured at the AMC-1467 installation. The measurement accuracy was not worse than ± 3%.
В качестве критерия структурного совершенства пластин, контролируемых по способу прототипу [2], использовали значения относительного приращения удельного сопротивления после облучения и отжига, попадающие в интервал 6%, т. е. удовлетворяющие условию (Rs-Rso)/Rso ≤ 0.06, где Rso, Rs - поверхностное сопротивление пластин до облучения (исходное) и после облучения и отжига соответственно. При контроле по заявляемому способу использовали тот же критерий, принимая в качестве Rs величину поверхностного сопротивления после облучения.As a criterion for the structural perfection of the plates controlled by the prototype method [2], we used the values of the relative increment of resistivity after irradiation and annealing, falling in the range of 6%, that is, satisfying the condition (R s -R so ) / R so ≤ 0.06 where R so , R s is the surface resistance of the plates before irradiation (initial) and after irradiation and annealing, respectively. In the control according to the claimed method, the same criterion was used, taking as R s the value of surface resistance after irradiation.
На пластинах, разбракованных по способу-прототипу и заявляемому способу методом селективного травления CrO3 : HF = 1:1, выявляли ростовые микродефекты, определяли среднее значение их плотности и дисперсии по поверхности пластин. Эти данные сопоставляли с результатами измерений поверхностного сопротивления и определяли чувствительность обоих методов как минимальную плотность микродефектов, которая может быть зафиксированной при контроле по способу [2] и заявляемому.On the plates, rejected by the prototype method and the claimed method by the method of selective etching CrO 3 : HF = 1: 1, growth microdefects were detected, the average value of their density and dispersion along the surface of the plates was determined. These data were compared with the results of measurements of surface resistance and the sensitivity of both methods was determined as the minimum density of microdefects, which can be fixed during monitoring by the method [2] and the claimed one.
Эксперименты показали, что в пределах погрешностей измерений исходное поверхностное сопротивление пластин составляло Rso=(247±7) Ом/□. Минимальная величина средней плотности микродефектов и их дисперсии при контроле пластин по способу-прототипу соответственно составляли (62.1±6.5) • 104 см-2 и 12.8•104 см-2, а при контроле по заявляемому способу: (29.3±2.4) • 104 см-2 и 5,7 • 104 см-2. Эти значения получены для доз облучения в интервале (1.0-3)•1012 см-2. Как видно из представленных данных, заявляемый способ позволяет повысить чувствительность метода контроля структурного совершенства полупроводниковых пластин более чем в два раза. Кроме того, заявляемый способ позволяет упростить процедуру контроля за счет исключения операции отжига облученных пластин.The experiments showed that, within the limits of measurement errors, the initial surface resistance of the plates was R so = (247 ± 7) Ohm / □. The minimum value of the average density of microdefects and their dispersion during the control of the plates according to the prototype method, respectively, was (62.1 ± 6.5) • 10 4 cm -2 and 12.8 • 10 4 cm -2 , and during the control according to the claimed method: (29.3 ± 2.4) • 10 4 cm -2 and 5.7 • 10 4 cm -2 . These values were obtained for radiation doses in the range (1.0-3) • 10 12 cm -2 . As can be seen from the data presented, the inventive method allows to increase the sensitivity of the method of controlling the structural perfection of semiconductor wafers by more than two times. In addition, the inventive method allows to simplify the control procedure by eliminating the operation of annealing the irradiated plates.
Литература
1. Сангвал К. Травление кристаллов. М.: Мир, 1990, 492 с.Literature
1. Sangwal K. Etching crystals. M .: Mir, 1990, 492 p.
2. Авторское свидетельство СССР N 671605, кл. H 01 L 21/66, H 01 L 21/26, БИ N 35, 23.09.85у 2. Copyright certificate of the USSR N 671605, cl. H 01 L 21/66, H 01 L 21/26, BI N 35, 09/23/85
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98112736A RU2156520C2 (en) | 1998-06-26 | 1998-06-26 | Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98112736A RU2156520C2 (en) | 1998-06-26 | 1998-06-26 | Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98112736A RU98112736A (en) | 2000-04-20 |
| RU2156520C2 true RU2156520C2 (en) | 2000-09-20 |
Family
ID=20208005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98112736A RU2156520C2 (en) | 1998-06-26 | 1998-06-26 | Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2156520C2 (en) |
-
1998
- 1998-06-26 RU RU98112736A patent/RU2156520C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| САНГВАЛ К. Травление кристаллов. - М.: Мир, 1990, с.492. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lightowlers et al. | Determination of boron in natural semiconducting diamond by prompt particle nuclear microanalysis and Schottky barrier differential-capacitance measurements | |
| US5418172A (en) | Method for detecting sources of contamination in silicon using a contamination monitor wafer | |
| RU2156520C2 (en) | Method for checking structure characteristics of single-crystalline semiconductor plates | |
| Bourgoin et al. | On amorphous layer formation in silicon by ion implantation | |
| JP5504634B2 (en) | Lifetime evaluation method | |
| Petringa et al. | First characterization of a new Silicon Carbide detector for dosimetric applications | |
| JP3221606B2 (en) | Donor killer untreated semiconductor wafer thickness measurement method and donor killer untreated semiconductor wafer flatness measurement method | |
| Gualtieri | Sweeping quartz crystals | |
| EP0638825B1 (en) | Detecting ionising radiation | |
| RU2185684C2 (en) | Method for flaw inspection of silicon films on insulating substrates | |
| JPH113923A (en) | Method for detecting metallic contaminant in sub-micron silicon surface layer of semiconductor | |
| Weaver et al. | Examination of detailed frequency behavior of quartz resonators under low dose exposures to proton radiation | |
| JP2931943B2 (en) | Wafer flatness measuring method and flatness measuring apparatus | |
| RU2176422C2 (en) | Method for carrying out gettering treatment of epitaxial layers of semiconductor structures | |
| Fretwurst et al. | Development of large area silicon detectors: Special properties and radiation stability | |
| JPS5840331B2 (en) | Semiconductor inspection method related to annealing treatment | |
| Laiho et al. | Electron paramagnetic resonance of radiation defects in hydrogen-implanted silicon detected by spin-dependent microwave photoconductivity | |
| JP4952871B2 (en) | Silicon wafer evaluation method | |
| Vlasenko et al. | Surface gettering of background impurities and defects in GaAs wafers | |
| JPS6248377B2 (en) | ||
| JP3625058B2 (en) | Semiconductor wafer thickness measuring device and semiconductor wafer flatness measuring device | |
| JP3635936B2 (en) | Method for measuring oxygen concentration in low resistivity silicon substrate | |
| JP2020092169A (en) | Method of evaluating nitrogen concentration in silicon single crystal substrate | |
| RU2110116C1 (en) | Method of detection of structural defects in silicon crystals | |
| JPH11166907A (en) | Standard wafer for measuring lifetime |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070627 |