RU2709687C1 - Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy - Google Patents
Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2709687C1 RU2709687C1 RU2019127171A RU2019127171A RU2709687C1 RU 2709687 C1 RU2709687 C1 RU 2709687C1 RU 2019127171 A RU2019127171 A RU 2019127171A RU 2019127171 A RU2019127171 A RU 2019127171A RU 2709687 C1 RU2709687 C1 RU 2709687C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- electrically active
- concentration
- ray emission
- donor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий, наноэлектроники и микроэлектроники и может быть применено для определения концентрации электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях кремния толщиной ≤120 нм без разрушения образца, сильнолегированного методами диффузии или ионной имплантации, которые широко применяются в полупроводниковой технологии.The invention relates to the field of nanotechnology, nanoelectronics and microelectronics and can be used to determine the concentration of electrically active donor impurities in the surface layers of silicon with a thickness of ≤120 nm without destroying a sample heavily doped with diffusion or ion implantation methods, which are widely used in semiconductor technology.
Известны и наиболее распространены способы определения концентрации электрически активной легирующей примеси в кремнии, основанные на измерениях поверхностного сопротивления Rs четырехзондовым методом [J.C. Irvin, Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in Silicon/ The Bell System Technical Journal, (1962) V. 41, №.2, p. 387, R. B. Fair, Profile Estimation of High Concentration Arsenic Diffusions in Silicon/ Journal of Applied Physics, (1972) V. 43, p. 1278., К. Пирс, А. Адаме, Л. Кац, Дж. Цай, Т. Сейдел, Д. Макгиллис, Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1. Перс с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. - 404 с.] и сопротивления растекания Rsr, с помощью двухзондового метода [К. Пирс, А. Адаме, Л. Кац, Дж. Цай, Т. Сейдел, Д. Макгиллис, Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1. Перс с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. - 404 с., R.G. Mazur, D.H. Dickey, S Spreading Resistance Technique for Resistivity Measurements on Silicon, J. Electrochem. Soc, (1966) V. 113, p. 255.]. Указанные способы достаточно просты и характеризуются высокой чувствительностью и надежностью получаемых результатов, однако при малой глубине диффузии и высокой концентрации легирующей примеси измеренное поверхностное сопротивление Rs нельзя использовать для оценки поверхностной концентрации электрически активной примеси, а недостатком метода измерения сопротивления растекания является то, что на результаты измерений большое влияние оказывают состояние поверхности образца и контакт зондов с подложкой.Known and most common are methods for determining the concentration of electrically active dopant in silicon, based on measurements of the surface resistance Rs by the four-probe method [J.C. Irvin, Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in Silicon / The Bell System Technical Journal, (1962) V. 41, No. 2, p. 387, R. B. Fair, Profile Estimation of High Concentration Arsenic Diffusions in Silicon / Journal of Applied Physics, (1972) V. 43, p. 1278., K. Pearce, A. Adame, L. Katz, J. Tsai, T. Seidel, D. McGillis, VLSI technology: In 2 pr. Prince 1. Persian from English. / Ed. S. Zee. - M .: Mir, 1986. - 404 pp.] And spreading resistance Rsr, using the two-probe method [K. Pierce, A. Adame, L. Katz, J. Tsai, T. Seidel, D. McGillis, VLSI technology: In 2 pr. Prince 1. Persian from English. / Ed. S. Zee. - M .: Mir, 1986.- 404 p., R.G. Mazur, D.H. Dickey, S Spreading Resistance Technique for Resistivity Measurements on Silicon, J. Electrochem. Soc, (1966) V. 113, p. 255.]. These methods are quite simple and are characterized by high sensitivity and reliability of the results, however, with a small diffusion depth and a high concentration of dopants, the measured surface resistance Rs cannot be used to estimate the surface concentration of electrically active impurities, and the disadvantage of the method for measuring the spreading resistance is that the measurement results the state of the sample surface and the contact of the probes with the substrate have a great influence.
Известны способы определения концентрации электрически активной легирующей примеси в кремнии, основанные на эффекте Холла [W.S. Jonson, Numerical corrections for hall effect measurements in silicon containing gaussian dopant distributions/ Solid-State Electronics Pergamon Press, (1970) V. 13, p. 951-956., Н.Ф. Ковтонюк, Ю.А. Концевой, Измерения параметров полупроводниковых материалов, Изд-во «Металлургия», 1970 г., 432 с., Павлов Л.П., Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - 2-е изд., М.: Выш. шк., 1987, 239 с.], которые эффективно применяются в микроэлектронике.Known methods for determining the concentration of electrically active dopant in silicon, based on the Hall effect [W.S. Jonson, Numerical corrections for hall effect measurements in silicon containing gaussian dopant distributions / Solid-State Electronics Pergamon Press, (1970) V. 13, p. 951-956., N.F. Kovtonyuk, Yu.A. Kontsevoy, Measurement of parameters of semiconductor materials, Publishing House Metallurgy, 1970, 432 pp., Pavlov LP, Methods of measuring parameters of semiconductor materials. - 2nd ed., Moscow: Vysh. Shk., 1987, 239 pp.], which are effectively used in microelectronics.
Однако при измерениях данными методами образцов с уровнем легирования ≥1018 см-3 холловская подвижность в поверхностных слоях образца может быть значительно меньше, чем в более глубоких слоях, и ошибка в определении концентрации легирующей примеси в сильнолегированных полупроводниках может достигать ~18%.However, when these methods measure samples with a doping level ≥10 18 cm -3, the Hall mobility in the surface layers of the sample can be significantly less than in deeper layers, and the error in determining the concentration of the dopant in heavily doped semiconductors can reach ~ 18%.
Известны способы, позволяющие определить концентрацию электрически активной примеси в полупроводниковых структурах на основе измерений вольт-фарадных характеристик [Павлов Л.П., Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. - 2-е изд., М.: Выш. шк., 1987, 239 с., Патент RU 2028697, опубл. 09.02.1995, «Способ определения параметров полупроводниковых материалов и гетероструктур». Авторы: Поляков В.И., Ермакова О.Н., Ермаков М.Г., Перов П.И., Патент RU 2234709, опубл. 20.08.2004, «Способ локального дистанционного измерения на высоких частотах носителей тока». Авторы: Дульбеев В.А.], широко применяемые для определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводнике. Недостатком данных способов является необходимость формирования металлических контактов на поверхности полупроводниковой структуры. Кроме того, верхний предел измеряемых концентраций электрически активной примеси не превышает 1018 см-3.Known methods for determining the concentration of electrically active impurities in semiconductor structures based on measurements of capacitance-voltage characteristics [Pavlov LP, Methods for measuring the parameters of semiconductor materials. - 2nd ed., Moscow: Vysh. Shk., 1987, 239 pp., Patent RU 2028697, publ. 02/09/1995, "A method for determining the parameters of semiconductor materials and heterostructures." Authors: Polyakov V.I., Ermakova O.N., Ermakov M.G., Perov P.I., Patent RU 2234709, publ. 08/20/2004, "A method for local remote measurement at high frequencies of current carriers." Authors: Dulbeev VA], widely used to determine the concentration profile of dopants in a semiconductor. The disadvantage of these methods is the need for the formation of metal contacts on the surface of the semiconductor structure. In addition, the upper limit of the measured concentrations of electrically active impurities does not exceed 10 18 cm -3 .
Более высокие значения концентраций легирующих примесей в кремнии (вплоть до 1020 см-3), определяемые по измерениям вольт-фарадных характеристик, достигаются в способах, в которых используется система полупроводник-электролит [Патент RU 2393584, опубл. 27.06.2010, Бюл. №18, «Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в полупроводниках». Авторы: Грохотков И.Н., Яфясов A.M., Филатова Е.О., Божевольнов В.Б., Патент SU 1728900, опубл. 23.04.1992, Бюл. №15, «Способ определения профиля концентрации легирующей примеси в кремниевых эпитаксиальных структурах». Авторы: Абрамов А.А., Гурова Г.А., Макеев М.А.], где дополнительно измеряют дифференциальную емкость в области потенциалов, соответствующих вырождению носителей заряда в приповерхностном объеме полупроводника. Однако данный способ требует создания хорошего омического контакта на одной из сторон образца и дополнительной полировки поверхности исследуемого объекта. Кроме того, данный способ направлен на определение профиля концентрации легирующей примеси, поэтому процесс измерений вольт-фарадных характеристик сопровождается разрушением исследуемого образца, путем растворения полупроводника в электролите.Higher concentrations of doping impurities in silicon (up to 10 20 cm -3 ), determined by measuring the capacitance-voltage characteristics, are achieved in methods that use a semiconductor-electrolyte system [Patent RU 2393584, publ. 06/27/2010, Bull. No. 18, "A method for determining the concentration profile of a dopant in semiconductors." Authors: Grokhotkov I.N., Yafyasov AM, Filatova E.O., Bozhevolnov VB, Patent SU 1728900, publ. 04/23/1992, Bull. No. 15, "A method for determining the concentration profile of a dopant in silicon epitaxial structures." Authors: Abramov A.A., Gurova G.A., Makeev M.A.], where the differential capacitance is additionally measured in the potential region corresponding to the degeneracy of charge carriers in the near-surface volume of the semiconductor. However, this method requires the creation of good ohmic contact on one of the sides of the sample and additional polishing of the surface of the investigated object. In addition, this method is aimed at determining the concentration profile of the dopant, therefore, the process of measuring the capacitance-voltage characteristics is accompanied by the destruction of the test sample, by dissolving the semiconductor in the electrolyte.
Известен способ определения концентрации легирующей примеси методом масс-спектроскопии вторичных ионов (МСВИ или ВИМС) [К. Могэб, Д. Фрейзер, У. Фичтнер, Л. Паррильо, Р. Маркус, К. Стейдел, У. Бертрем, Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М: Мир, 1986. - 453 c., А.Н. Пустовит, Диагностика методом ВИМС структуры нанометровых полупроводниковых слоев, легированных примесями/ Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2010, №9, с. 101-104.], который характеризуется высокой чувствительностью ко многим элементам (для В и As предел чувствительности равен 5⋅1015 см-3) и высоким пространственным разрешением (~500 нм). Однако в отличие от электрических методов, измеряющих концентрацию электрически активной примеси, метод МСВИ регистрирует общую концентрацию введенной примеси. Кроме того, при наличии в исследуемой системе следов водяных паров или водорода методом МСВИ достаточно трудно идентифицировать фосфор в кремнии, что обусловлено близостью масс иона 31Р+ и иона 31SiH+, образующегося в результате взаимодействия водорода с кремнием.A known method for determining the concentration of the dopant by the method of mass spectroscopy of secondary ions (MSWI or SIMS) [K. Mogeb, D. Fraser, W. Fichtner, L. Parrillo, R. Marcus, C. Steidel, W. Bertrem, VLSI technology: In 2 pr. Prince 2. Trans. from English / Ed. S. Zee. - M: Mir, 1986.- 453 p., A.N. Pustovit, SIMS diagnostics of the structure of nanometer-sized semiconductor layers doped with impurities / Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies, 2010, No. 9, p. 101-104.], Which is characterized by high sensitivity to many elements (for B and As, the sensitivity limit is 5⋅10 15 cm -3 ) and high spatial resolution (~ 500 nm). However, unlike electrical methods that measure the concentration of an electrically active impurity, the MSWI method records the total concentration of the impurity introduced. Moreover, the presence in the system of traces of water vapor or hydrogen by SIMS is difficult to identify sufficient phosphorus in silicon due to the proximity of the ion masses 31 and P + ions 31 SiH +, formed as a result of interaction of hydrogen with silicon.
Известны способы, основанные на нейтронно-активационном анализе (НАА) концентрации легирующей примеси в кремнии [К. Могэб, Д. Фрейзер, У. Фичтнер, Л. Паррильо, Р. Маркус, К. Стейдел, У. Бертрем, Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. - 453 с., Патент RU 2208666, опубл. 20.07.2003, «Способ определения концентрации легирующей примеси в полупроводниках после нейтронно-трансмутационного легирования». Авторы: В.И. Лебедев, О.Г. Черников, Е.К. Горбунов, Л.В. Шмаков, М.П. Козык, К.В. Григорьев, А.Н. Фурсов.]. Метод НАА является крайне чувствительным к большинству химических элементов и позволяет идентифицировать крайне малые концентрации примесей (для As в кремнии предел чувствительности ~7⋅1011 см-3). Основным недостатком данного метода является необходимость выдерживать образцы в течении 24-48 ч после облучения нейтронами, чтобы обеспечить уменьшение излучения радиоактивных изотопов кремния до уровня, пренебрежимо малого по сравнению с другими элементами.Known methods based on neutron activation analysis (NAA) of the concentration of the dopant in silicon [K. Mogeb, D. Fraser, W. Fichtner, L. Parrillo, R. Marcus, C. Steidel, W. Bertrem, VLSI technology: In 2 pr. Prince 2. Trans. from English / Ed. S. Zee. - M .: Mir, 1986. - 453 p., Patent RU 2208666, publ. 07/20/2003, "A method for determining the concentration of dopants in semiconductors after neutron-transmutation doping." Authors: V.I. Lebedev, O.G. Chernikov, E.K. Gorbunov, L.V. Shmakov, M.P. Kozyk, K.V. Grigoryev, A.N. Fursov.]. The NAA method is extremely sensitive to most chemical elements and allows the identification of extremely low concentrations of impurities (for As in silicon, the sensitivity limit is ~ 7⋅10 11 cm -3 ). The main disadvantage of this method is the need to withstand samples for 24-48 hours after neutron irradiation in order to ensure that the radiation of silicon radioactive isotopes is reduced to a level that is negligible compared to other elements.
Преимуществами перечисленных методов МСВИ и ННА являются очень высокая чувствительность и широкий рабочий диапазон концентраций легирующей примеси, однако оба этих метода несут информацию об общем количестве введенной примеси, а для учета только электрически активной примеси необходимо использовать данные методы в комбинации с электрофизическими методами, перечисленными выше.The advantages of the above methods of MSWI and NNA are very high sensitivity and a wide working range of dopant concentrations, however, both of these methods carry information about the total amount of impurity introduced, and to take into account only electrically active impurities, these methods must be used in combination with the electrophysical methods listed above.
Предлагаемый способ определения концентрации электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях кремния неразрушающим методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии (УМРЭС) основывается совершенно на других принципах, по сравнению с указанными аналогами. Рентгеновская эмиссионная спектроскопия позволяет получать прямую информацию о парциальной плотности электронных состояний в валентной зоне кремния [Т.М. Зимкина, В.А. Фомичев, Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия. Л.: Изд-во ЛГУ, 1971, 132 с.], которая хорошо изучена экспериментально и теоретически. Более того в работах [О.А. Голикова, Э.П. Домашевская, М.М. Казанин и др., Структурная сетка, уровень Ферми и плотность состояний аморфного кремния/ Физика и техника полупроводников, (1989) Т. 23, с. 450-455., V.A. Terekhov, S.N. Trostyanskii, Е.P. Domashevskaya et. al., Density of states and Photoconductivity of Hydrogenated Amorphous Silicon/ Phys. Stat. Sol. B, (1986) V. 138, p. 647.] показано проявление в рентгеновских эмиссионных спектрах аморфного кремния дополнительных максимумов интенсивности, расположенных выше потолка валентной зоны, соответствующих занятым локализованным состояниям в запрещенной зоне аморфного кремния, обусловленных большим числом оборванных связей в аморфном полупроводнике. Таким образом, идея предлагаемого способа состоит в регистрации рентгеновских эмиссионных Si L2.3 спектров в области валентной зоны кремния и выше потолка валентной зоны, где располагается примесная подзона электрически активных доноров, образующаяся при концентрации легирующей примеси ≥1018 см-3 [И. Фистуль, Сильно легированные полупроводники. М.: Наука, 1967, 415 с.]. При этом в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре будут проявляться только электрически активные доноры.The proposed method for determining the concentration of electrically active donor impurities in the surface layers of silicon by the non-destructive method of ultra-soft X-ray emission spectroscopy (UMRES) is based on completely different principles compared to these analogues. X-ray emission spectroscopy provides direct information on the partial density of electronic states in the valence band of silicon [T.M. Zimkina, V.A. Fomichev, Ultra-soft X-ray spectroscopy. L .: Publishing house of Leningrad State University, 1971, 132 pp.], Which is well studied experimentally and theoretically. Moreover, in the works of [O.A. Golikova, E.P. Domashevskaya, M.M. Kazanin et al., Structural grid, Fermi level and density of states of amorphous silicon / Physics and Technology of Semiconductors, (1989) T. 23, p. 450-455., VA Terekhov, SN Trostyanskii, E.P. Domashevskaya et. al., Density of states and Photoconductivity of Hydrogenated Amorphous Silicon / Phys. Stat. Sol. B, (1986) V. 138, p. 647.] the manifestation in the X-ray emission spectra of amorphous silicon of additional intensity maxima located above the valence band ceiling corresponding to occupied localized states in the forbidden band of amorphous silicon due to a large number of dangling bonds in an amorphous semiconductor. Thus, the idea of the proposed method is to register X-ray emission Si L2.3 spectra in the region of the silicon valence band and above the ceiling of the valence band, where the impurity subband of electrically active donors is formed, which is formed at a dopant concentration ≥10 18 cm -3 [I. Fistul, heavily doped semiconductors. M .: Nauka, 1967, 415 pp.]. In this case, only electrically active donors will appear in the X-ray emission Si L2.3 spectrum.
Кроме того, метод УМРЭС позволяет получать рентгеновские эмиссионные спектры в поверхностных слоях кремниевых структур на различных глубинах от 10 до 120 нм без разрушения исследуемого образца [Е.P. Domashevskaya, Y.A. Peshkov, V.A. Terekhov et. al., Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co45Fe45Zr10)/a-Si:H]41 and [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/a-Si:H]41/Surf. Interface Anal. (2018) V. 50, p. 1265-1270., А.С. Шулаков, Рентгеновская эмиссионная спектроскопия с разрешением по глубине: применение к исследованию нанослоев/ Журнал структурной химии, (2011) Т. 52, №S7, с. 7-18.]. Изменение глубины анализа осуществляется за счет изменения энергии пучка электронов, возбуждающих рентгеновский Si L2.3 спектр, путем варьирования высокого напряжения от 1 до 6 кВ на аноде рентгеновской трубки рентгеновского спектрометра монохроматора типа РСМ-500.In addition, the UMRES method allows one to obtain X-ray emission spectra in the surface layers of silicon structures at various depths from 10 to 120 nm without destroying the test sample [E.P. Domashevskaya, Y.A. Peshkov, V.A. Terekhov et. al., Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co45Fe45Zr10) / a-Si: H] 41 and [(Co45Fe45Zr10) 35 (Al2O3) 65 / a-Si: H] 41 / Surf. Interface Anal. (2018) V. 50, p. 1265-1270., A.S. Shulakov, X-ray emission spectroscopy with depth resolution: application to the study of nanolayers / Journal of Structural Chemistry, (2011) V. 52, No. S7, p. 7-18.]. The analysis depth is changed by changing the energy of the electron beam exciting the X-ray Si L2.3 spectrum by varying the high voltage from 1 to 6 kV at the anode of the X-ray tube of the X-ray spectrometer of the RSM-500 type monochromator.
Таким образом, метод УМРЭС может быть очень полезным для определения высоких концентраций (≥1018 см-3) электрически активной легирующий примеси в поверхностных слоях сильнолегированного кремния, как самостоятельно, так и в комбинации с электрофизическими методами.Thus, the UMRES method can be very useful for determining high concentrations (≥10 18 cm -3 ) of electrically active doping impurities in the surface layers of highly doped silicon, both independently and in combination with electrophysical methods.
Более того, для проведения исследований с помощью данного метода не требуется проводить дополнительную подготовку исследуемых образцов.Moreover, to conduct research using this method, it is not necessary to carry out additional preparation of the test samples.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в развитии прямых экспериментальных методов определения высоких концентраций электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях кремния.The problem to which this invention is directed is to develop direct experimental methods for determining high concentrations of electrically active donor impurities in the surface layers of silicon.
Технический результат при осуществлении поставленной задачи, заключается в разработке нового способа количественного определения электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях толщиной ≤120 нм кремния с уровнем легирования ≥1018 см-3 неразрушающим методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии.The technical result in the implementation of the task is to develop a new method for the quantitative determination of electrically active donor impurities in surface layers with a thickness of ≤120 nm silicon with a doping level of ≥10 18 cm -3 by the non-destructive method of ultra-soft X-ray emission spectroscopy.
Технический результат достигается тем, что в способе определения концентрации электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях кремния неразрушающим методом ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии, включающем процедуру регистрации характеристических рентгеновских эмиссионных Si L2.3 спектров сильнолегированного кремния при концентрации электрически активной донорной примеси ND≥1018 см-3 в области валентной зоны кремния и в области примесной подзоны электрически активных доноров с помощью метода ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии, согласно изобретению, регистрация рентгеновских эмиссионных спектров проводится при напряжении U=3 кВ на аноде разборной рентгеновской трубки спектрометра монохроматора, при плотности анодного тока 2 мА/см2, концентрацию электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях толщиной ≤120 нм сильно легированного кремния определяют по логарифмической зависимости относительной интенсивности донорного максимума, находящегося в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре выше потолка валентной зоны кремния при энергии Е=100 эВ от концентрации электрически активной донорной примеси, которая описывается следующим соотношением:The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the concentration of electrically active donor impurity in the surface layers of silicon by the non-destructive method of ultra-soft X-ray emission spectroscopy, which includes the registration of characteristic X-ray emission Si L2.3 spectra of heavily doped silicon at an electrically active donor impurity concentration of N D ≥10 18 cm -3 in the valence band of silicon and the impurity region electrically active donor subband using method ultramyag second X-ray emission spectroscopy, according to the invention, the registration of x-ray emission spectra is carried out at a voltage of U = 3 kV on the anode X-ray tube collapsible monochromator spectrometer, at an anodic current density of 2 mA / cm 2, the concentration of electrically active donor impurity in the surface layers of thickness ≤120 nm strongly doped silicon is determined by the logarithmic dependence of the relative intensity of the donor maximum located in the x-ray emission Si L2.3 spectrum above the ceiling of the shaft tnoj silicon band at an energy E = 100 eV of the concentration of electrically active donor impurity, which is described by the following relation:
где ID - относительная интенсивность донорного максимума в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре; ND - концентрация электрически активной донорной примеси; А и В - эмпирические константы, которые равны 0,1 и -1,94 соответственно.where I D is the relative intensity of the donor maximum in the X-ray emission Si L2.3 spectrum; N D is the concentration of an electrically active donor impurity; A and B are empirical constants that are 0.1 and -1.94, respectively.
Предлагаемый способ проиллюстрирован чертежами, где:The proposed method is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 приведены рентгеновские эмиссионные Si L2.3 спектры кремниевой пластины марки КДБ-10 (1) и спектры той же пластины после легирования методом диффузии фосфором (2), мышьяком (3) и сурьмой (4), с концентрацией электрически активной примеси по данным измерений поверхностного сопротивления Rs 8⋅1019 см-3, 2⋅1020 см-3 и 8⋅1019 см-3 соответственно; на вставках к спектрам каждого образца приведены участки спектра вблизи потолка валентной зоны и донорного максимума (D), записанные с большим временем накопления, в десять раз (х10) или в четыре раза (х4);in FIG. Figure 1 shows the X-ray emission Si L2.3 spectra of a KDB-10 grade silicon wafer (1) and the spectra of the same wafer after doping with diffusion by phosphorus (2), arsenic (3) and antimony (4), with the concentration of electrically active impurities according to measurements surface resistance Rs 8⋅10 19 cm -3 , 2⋅10 20 cm -3 and 8⋅10 19 cm -3, respectively; the insets to the spectra of each sample show the spectral regions near the ceiling of the valence band and donor maximum (D) recorded with a long accumulation time, ten times (x10) or four times (x4);
на фиг. 2 представлен график зависимости относительной интенсивности ID донорного максимума в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре сильнолегированного кремния от концентрации ND электрически активной донорной примеси, определяемой по данным поверхностного сопротивления Rs.in FIG. Figure 2 shows a plot of the relative intensity I D of the donor maximum in the X-ray emission Si L2.3 spectrum of heavily doped silicon versus the concentration N D of the electrically active donor impurity, determined from the surface resistance Rs.
на фиг. 3 представлен рентгеновский эмиссионный Si L2.3 спектр кремния, легированного ионной имплантацией мышьяка дозой 5⋅103 мкКл/см2 с энергией ионов 60 кэВ, с последующим импульсным фотонным отжигом с плотностью энергии светового потока 18 Дж/см2. На вставке к спектру приведен участок спектра вблизи потолка валентной зоны и донорного максимума (D), записанный с большим временем накопления в десять раз (х10).in FIG. Figure 3 shows the X-ray emission Si L2.3 spectrum of silicon doped with ion implantation of arsenic at a dose of 5 × 10 3 μC / cm 2 with an ion energy of 60 keV, followed by pulsed photon annealing with a light flux energy density of 18 J / cm 2 . The spectrum is shown in the inset to the portion of the spectrum near the ceiling of the valence band and donor maximum (D), recorded with a ten-fold long accumulation time (x10).
Способ определения концентрации электрически активной донорной примеси в поверхностных слоях кремния неразрушающим методом ультрамягкой рентгеновской спектроскопии осуществляют следующим образом.The method for determining the concentration of electrically active donor impurities in the surface layers of silicon by the non-destructive method of ultra-soft x-ray spectroscopy is as follows.
Образец кремния с уровнем легирования ≥1018 см-3 облучают моноэнергетическим электронным пучком, и, регистрируют спектр характеристического рентгеновского излучения в области энергий фотонов 80-102 эВ, соответствующих валентным переходам на L2.3 уровень кремния и отражающих плотность занятых электронных состояний в валентной зоне кремния и донорных состояний, локализованных в запрещенной зоне кремния выше потолка валентной зоны на ~1 эВ. Регистрация рентгеновских эмиссионных спектров осуществляется с помощью метода ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии, реализованного на рентгеновском спектрометре монохроматоре типа РСМ-500. Запись спектра проводится в вакууме не хуже 1⋅10-6 мм.рт.ст. при напряжении U=3 кВ на аноде разборной рентгеновской трубки спектрометра, что соответствует глубине анализа 60 нм [Е.P. Domashevskaya, Y.А. Peshkov, V.A. Terekhov et. al., Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co45Fe45Zr10)/a-Si:H]41 and [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/a-Si:H]41/Surf. Interface Anal. (2018) V. 50, p. 1265-1270.], при этом плотность анодного тока не должна превышать 2 мА/см2 во избежание перегрева образца и «улетучивания» легирующей примеси из поверхности кремния.A silicon sample with a doping level of ≥10 18 cm -3 is irradiated with a monoenergetic electron beam, and the characteristic x-ray spectrum is recorded in the photon energy range of 80-102 eV corresponding to valence transitions at L2.3 silicon level and reflecting the density of occupied electronic states in the valence band silicon and donor states localized in the band gap of silicon by ~ 1 eV above the valence band ceiling. Registration of X-ray emission spectra is carried out using the method of ultra-soft X-ray emission spectroscopy, implemented on an X-ray spectrometer type RSM-500 monochromator. The spectrum is recorded in vacuum no worse than 1⋅10 -6 mm Hg. at a voltage of U = 3 kV at the anode of a collapsible x-ray tube of the spectrometer, which corresponds to an analysis depth of 60 nm [E.P. Domashevskaya, Y.A. Peshkov, VA Terekhov et. al., Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co 45 Fe 45 Zr 10 ) / a-Si: H] 41 and [(Co 45 Fe 45 Zr 10 ) 35 (Al 2 O 3 ) 65 / a-Si: H] 41 / Surf. Interface Anal. (2018) V. 50, p. 1265-1270.], While the density of the anode current should not exceed 2 mA / cm 2 in order to avoid overheating of the sample and "volatilization" of the dopant from the silicon surface.
Для определения количественной связи между интенсивностью донорного максимума, находящегося в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре выше потолка валентной зоны кремния при энергии Е=100 эВ, от концентрации электрически активной донорной примеси были зарегистрированы рентгеновские Si L2.3 спектры серии пластин кремния марки КДБ-10 (10 Ом⋅см), легированных фосфором, мышьяком и сурьмой методом диффузии, с различной концентрацией легирующей примеси, которая контролировалась с помощью измерений поверхностного сопротивления Rs. Полученные рентгеновские эмиссионные Si L2.3 спектры нескольких образцов пластин кремния марки КДБ-10 (10 Ом⋅см) с ориентацией (111), легированных фосфором, мышьяком и сурьмой методом диффузии при температуре Т=900°С с концентрацией электрически активной примеси, определенной по данным измерений поверхностного сопротивления Rs - 8⋅1019 см-3, 2⋅1020 см-3 и 8⋅1019 см-3, соответственно, представлены на фиг. 1. Регистрация рентгеновских эмиссионных Si L2.3 спектров осуществлялась на рентгеновском спектрометре монохроматоре РСМ-500, при режимах съемки, указанных выше. Для сравнения на том же рисунке представлен спектр исходной пластины марки КДБ-10. Из фиг. 1 видно, что форма рентгеновских эмиссионных спектров всех образцов сильнолегированного кремния идентична спектру исходной пластины кремния и соответствует спектру кристаллического кремния, при этом в спектрах сильнолегированных образцов выше потолка валентной зоны при энергии 100 эВ обнаруживается узкий максимум, соответствующий переходам из донорной подзоны на Si L2.3 уровень. Для повышения точности определения интенсивности донорного максимума рентгеновские эмиссионные Si L2.3 спектры были записаны в области энергий вблизи потолка валентной зоны кремния и донорного максимума в режиме с большим временем накопления сигнала в десять раз (х10) или в четыре раза (х4), которые приведены на вставках к спектрам каждого образца на фиг. 1.To determine the quantitative relationship between the intensity of the donor maximum located in the X-ray emission Si L2.3 spectrum above the ceiling of the silicon valence band at an energy of E = 100 eV, X-ray Si L2.3 spectra of a series of silicon wafers of the KDB- type were recorded on the concentration of the electrically active donor impurity 10 (10 Ohm⋅cm) doped with phosphorus, arsenic and antimony by the diffusion method, with different concentrations of dopants, which was controlled by measuring the surface resistance Rs. The obtained X-ray emission Si L2.3 spectra of several samples of KDB-10 silicon wafers (10 Ohm⋅cm) with an (111) orientation doped with phosphorus, arsenic and antimony by diffusion at a temperature of T = 900 ° C with an electrically active impurity concentration determined according to measurements of surface resistance Rs - 8⋅10 19 cm -3 , 2⋅10 20 cm -3 and 8⋅10 19 cm -3 , respectively, are presented in FIG. 1. Registration of X-ray emission Si L2.3 spectra was carried out on an X-ray spectrometer monochromator RSM-500, under the shooting modes indicated above. For comparison, the same figure shows the spectrum of the original plate brand KDB-10. From FIG. Figure 1 shows that the shape of the X-ray emission spectra of all samples of heavily doped silicon is identical to the spectrum of the initial silicon wafer and corresponds to the spectrum of crystalline silicon, while a narrow maximum is found in the spectra of strongly doped samples above the valence band ceiling at an energy of 100 eV, corresponding to transitions from the donor subband to Si L2. 3rd level. To increase the accuracy of determining the intensity of the donor maximum, the X-ray emission Si L2.3 spectra were recorded in the energy region near the ceiling of the silicon valence band and the donor maximum in the regime with a long signal accumulation time of ten times (x10) or four times (x4), which are given in the insets to the spectra of each sample in FIG. 1.
Результаты настоящего исследования сильнолегированных образцов кремния методами диффузии и ионной имплантации в широких интервалах доз легирующей примеси, показывают, что интенсивность максимума, образующегося в результате переходов из донорной подзоны на внутренний Si L2.3 уровень, зависит от концентрации электрически активной донорной примеси. Для определения количественной связи интенсивности донорного максимума с концентрацией электрически активной донорной примеси в образцах сильнолегированного кремния, было измерено поверхностное сопротивление Rs и рассчитана концентрация электрически активных доноров ND по методике [J.C. Irvin, Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in Silicon/ The Bell System Technical Journal, (1962) V. 41, №.2, p. 387., R.B. Fair, Profile Estimation of High Concentration Arsenic Diffusions in Silicon/ Journal of Applied Physics, (1972) V. 43, p. 1278.]. Исходя из результатов расчета, построен график зависимости относительной интенсивности донорного максимума ID от концентрации электрически активных доноров ND (Фиг. 2).The results of the present study of heavily doped silicon samples by diffusion and ion implantation methods over a wide range of dopant doses show that the intensity of the maximum formed as a result of transitions from the donor subband to the internal Si L2.3 level depends on the concentration of the electrically active donor impurity. To determine the quantitative relationship between the intensity of the donor maximum and the concentration of electrically active donor impurities in highly doped silicon samples, the surface resistance Rs was measured and the concentration of electrically active donors N D was calculated by the method of [JC Irvin, Resistivity of Bulk Silicon and of Diffused Layers in Silicon / The Bell System Technical Journal, (1962) V. 41, No. 2, p. 387. RB Fair, Profile Estimation of High Concentration Arsenic Diffusions in Silicon / Journal of Applied Physics, (1972) V. 43, p. 1278.]. Based on the calculation results, a graph is plotted of the relative intensity of the donor maximum I D versus the concentration of electrically active donors N D (Fig. 2).
Таким образом, концентрация электрически активной донорной примеси в сильнолегированных кремниевых структурах определяется по относительной интенсивности донорного максимума в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре с помощью логарифмической зависимости, представленной на фиг. 2, которая описывается следующим соотношением:Thus, the concentration of electrically active donor impurities in heavily doped silicon structures is determined by the relative intensity of the donor maximum in the X-ray emission Si L2.3 spectrum using the logarithmic dependence shown in FIG. 2, which is described by the following relationship:
где ID - относительная интенсивность донорного максимума в рентгеновском Si L2.3 спектре; ND - концентрация электрически активной донорной примеси; А и В - эмпирические константы, которые равны 0,1 и -1,94 соответственно.where I D is the relative intensity of the donor maximum in the x-ray Si L2.3 spectrum; N D is the concentration of an electrically active donor impurity; A and B are empirical constants that are 0.1 and -1.94, respectively.
Данный подход открывает новые прямые экспериментальные возможности определения высоких концентраций электрически активной донорной примеси в самых поверхностных слоях кремния, толщиной менее 120 нм.This approach opens up new direct experimental possibilities for determining high concentrations of electrically active donor impurities in the surface layers of silicon with a thickness of less than 120 nm.
Пример 1.Example 1
В качестве примера на фиг. 3 приведен рентгеновский эмиссионный Si L2.3 спектр пластины кремния марки КДБ-10 (10 Ом⋅см) с ориентацией (111), легированной ионной имплантацией мышьяка на установке «Везувий-5 » с энергией ионов 60 кэВ при плотности тока ионов 10 мкА/см2 и дозе имплантации 5⋅103 мкКл/см2. Для активации примеси проводился импульсный фотонный отжиг на установке УОЛП-1 при плотности энергии светового потока 18 Дж/см2 при длительности импульса 1,5 с. Регистрация рентгеновского эмиссионного Si L2.3 спектра проводилась в области энергий фотонов 80-102 эВ, соответствующих валентным переходам на L2.3 уровень кремния и отражающих плотность занятых электронных состояний в валентной зоне кремния и донорных состояний, локализованных в запрещенной зоне кремния выше потолка валентной зоны на ~1 эВ. Регистрация рентгеновского эмиссионного спектра осуществляется с помощью метода ультрамягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии, реализованного на рентгеновском спектрометре монохроматоре РСМ-500. Запись спектра проводится в вакууме 1⋅10-6 мм.рт.ст. при напряжении U=3 кВ на аноде разборной рентгеновской трубки спектрометра, при плотности анодного тока 2 мА/см2 во избежание перегрева образца и «улетучивания» легирующей примеси из поверхности кремния.As an example in FIG. Figure 3 shows the X-ray emission Si L2.3 spectrum of a KDB-10 silicon wafer (10 Ohm⋅cm) with a (111) orientation doped with ion implantation of arsenic on a Vesuvius-5 installation with an ion energy of 60 keV at an ion current density of 10 μA / cm 2 and the implantation dose of 5⋅10 3 μC / cm 2 . To activate the impurity, pulsed photon annealing was performed on a UOLP-1 device at a light flux energy density of 18 J / cm 2 and a pulse duration of 1.5 s. The X-ray emission Si L2.3 spectrum was recorded in the photon energy range of 80-102 eV, corresponding to valence transitions at the L2.3 silicon level and reflecting the density of occupied electronic states in the silicon valence band and donor states localized in the band gap of silicon above the ceiling of the valence band at ~ 1 eV. Registration of the X-ray emission spectrum is carried out using the method of ultra-soft X-ray emission spectroscopy, implemented on an X-ray spectrometer monochromator RSM-500. Spectrum recording is carried out in a vacuum of 1⋅10 -6 mm Hg. at a voltage of U = 3 kV at the anode of a collapsible x-ray tube of the spectrometer, at an anode current density of 2 mA / cm 2 in order to avoid overheating of the sample and “volatilization” of the dopant from the silicon surface.
Концентрация электрически активной донорной примеси в сильнолегированных кремниевых структурах определяется по относительной интенсивности донорного максимума в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре с помощью логарифмической зависимости, представленной на фиг. 2, которая описывается следующим соотношением:The concentration of the electrically active donor impurity in heavily doped silicon structures is determined by the relative intensity of the donor maximum in the X-ray emission Si L2.3 spectrum using the logarithmic dependence shown in FIG. 2, which is described by the following relationship:
где ID - относительная интенсивность донорного максимума в рентгеновском Si L2.3 спектре; ND - концентрация электрически активной донорной примеси; А и В - эмпирические константы, которые равны 0,1 и -1,94 соответственно.where I D is the relative intensity of the donor maximum in the x-ray Si L2.3 spectrum; N D is the concentration of an electrically active donor impurity; A and B are empirical constants that are 0.1 and -1.94, respectively.
Из фиг. 3 видно, что в рентгеновском эмиссионном Si L2.3 спектре данного образца выше потолка валентной зоны при энергии 100 эВ наблюдается донорный максимум, интенсивность которого составляет ID=0,07±0,001 отн. ед., что согласно зависимости, представленной на фиг. 2, соответствует концентрации электрически активной донорной примеси ND=(1,25±0,03)⋅1020 см-3. Данный результат достаточно хорошо согласуется с величиной концентрации электрически активной донорной примеси, определенной по данным измерений поверхностного сопротивления, которая составила 1,20⋅1020 см-3.From FIG. Figure 3 shows that in the X-ray emission Si L2.3 spectrum of this sample above the ceiling of the valence band at an energy of 100 eV, a donor maximum is observed whose intensity is I D = 0.07 ± 0.001 rel. units, which according to the dependence presented in FIG. 2, corresponds to the concentration of an electrically active donor impurity N D = (1.25 ± 0.03) ⋅ 10 20 cm -3 . This result agrees quite well with the concentration of electrically active donor impurities, determined according to the surface resistance measurements, which amounted to 1.20 × 10 20 cm -3 .
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127171A RU2709687C1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019127171A RU2709687C1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2709687C1 true RU2709687C1 (en) | 2019-12-19 |
Family
ID=69007088
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019127171A RU2709687C1 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2709687C1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2978548A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-01 | Commissariat Energie Atomique | DETERMINATION OF DOPING CONTENT IN A SILICON COMPENSATION SAMPLE |
-
2019
- 2019-08-29 RU RU2019127171A patent/RU2709687C1/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2978548A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-01 | Commissariat Energie Atomique | DETERMINATION OF DOPING CONTENT IN A SILICON COMPENSATION SAMPLE |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
DOMASHEVSKAYA EVELINA P. et al. Phase composition of the buried silicon interlayers in the amorphous multilayer nanostructures [(Co45Fe45Zr10)/a-Si:H]41 and [(Co45Fe45Zr10)35(Al2O3)65/a-Si:H]41, "Surf Interface Anal.", 2018; vol.50, pp 1265-1270. * |
ТЕРЕХОВ В.А. и др. Особенности электронного строения и фазового состава аморфных пленок композитов (SiO2)x (a-Si:H)x−1 по данным рентгеноспектральных исследований, "Письма в ЖТФ", 2015, том 41, вып. 20, стр.82-88. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Istratov et al. | Iron contamination in silicon technology | |
Leamy | Charge collection scanning electron microscopy | |
Lauer et al. | Charge trapping within UV and vacuum UV irradiated low-k porous organosilicate dielectrics | |
Elliot | Thick junction radiation detectors made by ion drift | |
Izhnin et al. | Electrical and microscopic characterization of p+-type layers formed in HgCdTe by arsenic implantation | |
RU2709687C1 (en) | Method of determining concentration of electrically active donor impurity in surface layers of silicon by nondestructive method of ultra-soft x-ray emission spectroscopy | |
EP0511145B1 (en) | Method for determining the thickness of an interfacial polysilicon/silicon oxide film | |
JP6605386B2 (en) | Metal contamination concentration analysis method | |
JPH09162253A (en) | Apparatus for evaluating semiconductor | |
Aoki et al. | Reasons of low-charge collection efficiency in CdTe-based x/gamma detectors with ohmic contacts | |
Nanver et al. | Test structures without metal contacts for DC measurement of 2D-materials deposited on silicon | |
Lee et al. | Measurement time reduction for generation lifetimes | |
Eichinger | Characterization and analysis of detector materials and processes | |
Polignano et al. | Detection of metal segregation at the oxide-silicon interface | |
Stuck et al. | Behaviour of γ-ray detectors from high purity germanium at low temperature | |
Gant et al. | On the chemisorption of Ge on GaAs (110) surfaces: UPS and work function measurements | |
JP7250216B2 (en) | Method for measuring carbon concentration in silicon substrate | |
Ipri et al. | The effect of heavy metal contamination in SIMOX on radiation hardness of MOS transistors | |
Hoff et al. | Degradation of oxide properties caused by low-level metallic contamination | |
Bharthuar | Prototype evaluation of silicon sensors and other detector components suitable for future CMS Tracker | |
RU2059324C1 (en) | Method for determining nonuniformity of doping semiconductor layers on insulating substrates | |
JP3289666B2 (en) | Method and apparatus for highly sensitive detection of heavy metals in silicon wafer bulk | |
Daves | Silicon carbide field-effect transistor (FET) transducers for harsh environment Applications | |
Barnard | Electrical characterization of alpha-particle irradiation-induced defects in germanium | |
Hage-Ali et al. | Characterization of CdTe Nuclear Detector Materials |