Способ контроля качества полупроводникового материала

 

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА путем освещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимост о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности способа, перед освещением материал ют гамма-лучами с энергией h) удовлетворяющей условию ибЬ)акс , а дозу облучения . вливают из условия dfr N .Kc(o,6-fj(bL) Vnop пороговая энергия кванта, необходимая для образования точечного дефекта структуры максимальная энергия кванта, при которой еще не создаются сложные групповые дефекты; f - доля объема образца, занимаемая областями пространственного заряда скоплений электрически активных центров в темноте в облученном материале; fo - то же в необлученном материале; М - доза облучения.

СОЮЗ COBETCHÈÕ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУД АРС

ПО ДЕЛА

ОП

Н AB где»каор 4акс

Э 4 01 1. (21) 3595077/18-25 (22) 20. 05, 83 (46) 23.02.86. Бюл. ¹ 7 (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф Иоффе (72) H À. Витовский, О.В. Емельяненко, Т.С, Лагунова, T.D, Иашовец и О. Рахимов, (53) 621.382 (088,8) (56) И . 9поие et а(. Etoh Pits апй Ро arity in CdTe Crystals.

J. Арр . Phys, 1962, ЗД, ¹ 8, р. 2578-2582.

Витовский Н.А. и др. Определение заряда квазиточечных скоплений в компенсированных кристаллах п-ТпР, ФТП, 1982, 16, с. 1122-1124 (прототип). (54)(57) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МАТЕРИАЛА путем освещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимости, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности способа, перед освещением материал

„,80„„3 118238 A (50 4 H 01 L 21/66 облучают гамма-лучами с энергией кванта h9 > удовлетворяющей условию п поj Ьдмакс, а дозу облучения устанавливают из условия

Уа макс (одаб "Eoj() у

df, с1 f пороговая энергия кванта, необходимая для образования точечного дефекта структуры> ! максимальная энергия кванта, при которой еще не создаются сложные групповые дефекты; доля объема образца, занимаемая областями пространственного заряда скоплений электрически активных центров в темноте в облученном материале; то же в необлученном

I материале; доза облучения.

4 11

Изобретение относится к полупроводниковой техники и может быть использова-,о для контроля качества полупроводниковых материалов.

Известен способ контроля качества полупроводниковых материалов, основанный на получении ямок травления„на ориентированньгх гранях кристаллов;и определении их плотносг, ти путем набтп>дения,в микроскоп. ,Недостатком этого, способа явля1 ется.то, что он чувствителен только к:крупномасштабным дефектам, например дислокациям,-"-и не дает возможности выявить мелкие скопления, состоящие из единиц электроактивных центров, а также определить число частиц, входящих в состав скоплений.

Наиболее близким является способ контроля качества полупроводникового материала путем освещения материала светом с энергией квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимости. Контроль качества материала производится по величине фотопроводимости и длительности ее спада после вьи<лючения освещения.

Иерой пеоднородности исследуемого материала, указывающей на количество

М скоплений электроактивных центров, является величина — доля объема образца, занятая скоплениями центров и окружающими их областями пространственного заряда ),ОПЗ) в темноте. Этой величиной определяется относительная фотопроводимость

1 материала, содержащего скопления 6 в центров †.от — проводимость оббт разца в темноте, AB — добавка проводимости обвазца при освещении.

Связь между — и известна из л8 т теории эффективной среды а6 зЬ т (1) 2 тт

Способ-прототип обладает следующим недостатком: если скопления малы, то размеры создаваемых ими областей пространственного заряда могут быть меньше длины свободного пробега основных носителей заряда.

Такие микроскопления электроактивных центров слабо проявляются в электрических свойствах материала и не обнаруживаются способом-протоу макс (а6-ro)() (ъ) где Ь )по . пороговая энергия кванта, необходимая для образования точечного дефекта структуры; максимальная энергия кванта, при которой еще не создаются сложные групповые дефекты; доля объема образца, занимаемая областями

h r1àK<

40 пространственного заряда скоплений электри45 чески активных центров в темноте в облученном материале;

f — то же в необлученном материале;

50 т — доза облучения.

На фиг. 1-6 показана величина ьб сигнала фотопроводимости — и кибт нетика спада этого сигнала после

55 выключЕния освещения в различных полупроводниковых материалах. На всех фигурах кривые 1 получены при исследовании материала по предлагае18238 2 типом. Однако они могут служить

1 зародышами для роста более крупных скоплений электроактивных центров в процессе работы приборов, изготовленных на основе материала, содержащего такие микроскопления. Поэтому использование полупроводникового материала, который при анализе по способу-прототипу оценивается !

О как однородный, может привести к браку при производстве электронных приборов. Следовательно, чувствительность способа не достаточна.

Цель изобретения — повышение чувствительности способа.

Эта цель достигается тем, что в способе контроля качества полупроводникового материала путем освещения материала светом с энергией

20 квантов из области края собственного поглощения и исследования кинетики спада фотопроводимости, перед освещением материал облучают гамма-лучами с энергией кванта h)), удовлет25 воряющей условию

1 ))о)> « )1) 1 ))акс (p) — Ф а дозу облучения устанавливают из условия с

118238

3

1 мому способу. кривые 2 — по способупрототипу (приведены дня сравнения).

Фиг.! — кремний P -òèïà, выращенный по методу Чохральского и подвергнутый термообработке (600 "С н течение 6 ч).

Фиг,2 — кремнттй Р -типа, выращенный по методу Чохральского и подвергнутый термообработке (900 С, 24 ч).

Фиг.Э вЂ” арсенид галлия tl -типа, полученный методом Чохральского спе3 циально не легиротзанный.

Фиг.4 — фосфид индия 11 -типа, полученный зонной планкой, легированный медью.

Фиг.5 — фосфид индия rl †ти,полученный зонной плавкой, легированный цинком.

Фиг.б — геттлурид кадмия и -типа полученный зонной плант<ойт, стте1тиально не легированный.

Существо изобретения поясняется следующим.

Под действием гамма-облучения скопления электроактинных центров не образуются, а имевшиеся до об:тучения скопления растут, т.е. число Z входящих в ни:: электроактинных центров возрастает. Существование этого явления установлено достоверно, хотя причина роста скоплений электроактивных центров к настоящему времени не выяснена: возможно, что имеющиеся скопления захватывают точечные дефекты, возникающие в результате облучения, но не исключено, что увеличение 7. связано с превращением имевшихся в них ранее электрически неактивных центров н электроактинные.

Кроме того, изменение положения уровня Ферми при облучении приводит к росту дебаенского радиуса,и, следовательно, к увеличеттттю радиуса областей пространствепного заряда вокруг скоплений электроактивных центров. Это еще более повышает чувствительность лредлагаемого способа. Таким образом, путем облучения гамма-лучами можно увеличивать малые скопления электроактивных центров и делать их доступными для обнаружения.

Энергия кванта h! должна быть достаточной для создания точечных дефектов, т.е. должна быть больше порогового значения тт т1„,„, причем величина 111„ является характеристикой вещества и известна для всех ттолупроводников, находящих практическое применение, l1 snop 0 bi HO сос тавляет несколь сот кэВ, С другой стороны, энергия h4 должна быть не

5 больше зиаченття Ьд „,, которое также является характеристикой вещества, поскольку при h h wawc могут создаваться не точечные, а сложные групповые дефекты типа разупорядоченных областей, которые могут проявиться как новые скопления электроактинных центров. Для большинства практически важных полупроводников

h4 .10 ИэВ.

Доза облучения Г выбирается из условия (3). Наличие множителя (0,6-1„) в условии (3) связано с тем, что при приближении величины т — т к значению 0,666 существенJ4 го но изменяются условия протекания тока через образец: происходит переход от объемной проводимости к протека1 . нию по ограниченному числу путей,и теория эффективной среды становится неприменимой. Отклонения от условий объемной проводимости становятся значительными при 1 = 0,6. Множтттель

df — определяет скорость роста доли

30 дТ объема, занимаемой ОПЗ прп облучении, Связь между у и j сложна и т определяется в значительной мере размерами имеющихся зародышей скоп-лений электроактивных центров. Поэтому для различных материалов доза подбирается индивидуально на основании данных о величинах f u

df о

Значения -т"- и — 1 находятся экспеdV риментально.

Предлагаемытт способ бып практически применен для контроля качества полупроводниковых материалов, относящихся к трем основным классам: 1— элементарным полупроводникам (кремний), II — соединениям типа А В (арсенид галлия, фосфид индия) и III— соединениям типа А В (теллурид кадмия).

Практически для создания однородно распределенных точечных радиационных дефектов всегда используется облучение гамма-лучами Со.

Это связано с двумя обстоятельствами: облучение радиоизотопными источниками гораздо удобнее, чем потоками рентгеновских или гамма-лучей, по! 118238

10 лучаемыми от рентгеновских установок или от ускорителей, изотопные гамма-установки проще в эксплуатации.

1. Кремний.

Исследовался кремний P -типа, .выращенный по методу Чохральского, и прошедший термообработки: а) при

600 С в течение 6 ч (фиг.1) и б) при 900 С в течение 24 ч (фиг.2).

Известно, что при таких термообработках в кремнии возникают электроактивные центры — термодоноры, I но не было известно, распределены ли термодоноры однородно по объему или собраны в скопления.

Из слитков кремния вырезались образцы в форме прямоугольных параллелепипедов размерами 811 0,5 мм .

Образцы шлиАовались абразивным порошком М-14, травились в травителе

Деша (3 части INO 1 часть НГ, 8- 12 частей CII СООН) в течение

10-12 ч, промывались в. дистиллированной воде, Затем в ним делались оми- р5 ческие-контакты. Для этого использовался сплав 97% In и З Са, который наносился на поверхность образца обычным паяльником мощностью 50 Вт без флюса. Контакты делались на торцах (грани 1 0,5 мм ) — для пропускания тока и зондовые, ф 0,3 мм по два с каждой стороны на гпанях

8 0,5 ыР— для измерения фотопроводимости зондовым методом.

Образцы подвергались гамма-облучению на лабораторной установке при комнатной температуре, Источником гамма-излучения служил изотоп

Со, средняя энергия кванта кото- 40 рого h4 = 1,25 МэВ удовлетворяет указанному выше условию (2):

h)„,р Ы Ь4„ „,Действительно для крем. ния Ь J qgp = 150-240 кЭв и

hg„«,) 10 МэВ. Доза облучения сос- 45 тавляла (3-4). 10 рад, что соответствует условию (3), поскольку величина г в необлученном материале составляла 0,2 и 5,8, а скорости изменения j при облУчении были най- дены экспериментально и оказались

-м. равными — — - = 5,5 10 рад

И (фиг.1) и - - = 6 ° 10 % рад

df

dV

55 (фиг.2) ° Исследования величины и кинетики спада фотопроводимости проводились стандартным методом с использованием однократных импульсов возбуждающего света иэ области края собственного поглощения. Источником света служил осветитель ОИ-24 с Аотографическим затвором сп скоростью срабатывания 1 мс. Свет поступал к образцу по светопроводу, причем перед образцом помещался кремниевый фильтр толщиной 0 15 мм. Фильтр располагался на держателе вместе с образцом и имел ту же температуру, что и образец (это обеспечивало однородное поглощение света по всей толще образца). Образец с фильтром помещался в жидкий азот, измерения проводились при Т = 77,4 К. Источником тока служил аккумулятор, ЭДС которого равнялась 6,55 В. Сигнал снимался с нагрузочного сопротивления Й„ = 620 0 и регистрировался на запоминающем осциллографе С-8-13.

11а Аиг,1 и Аиг.2 представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости Р -кремния, выращенного по методу Чохральского и прошедшего термообработку при

600 С (Аиг.1) .и 900 С (фиг ° 2)..

Кривые 1 получены при использовании предлагаемого способа. Для сравнения приведены кривые 2, полученные при исследовании тех же самых образцов кремния по способу-прототипу (в тех же условиях — на той же установке, при тех же значениях параметров измерительной цепи, при той же интенсивности освещения).

Видно, что при одной и той же степени неоднородности (образцы одни и те же) сигнал, получаемый при использовании предлагаемого способа (кривые 1), оказывается существенно большим, чем сигнал, получаемый при использовании способа-прототипа (кривые 2), а спад сигнала после выключения оказывается гораздо более продолжительным, Таким образом, чувствительность предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом значительно выше.

II. I. Полупроводниковый материал — соединения типа .A 8 — арсенид галлия П -типа.

Исследовался арсенид галлия спе-! циально не легированный, с концентрацией донорной примеси И,= 2,33 10 см и компенсирующей акцепторной примеси Nð, = 9,3 10 " см

Образцы размером 8 ° 1 ° 0,5 шчифовались абраэивпым порошком М-!4, 1118238 Я травились в кипящей перекиси водорода в течение 5-10 мин и промывались в дистиллированной воде. Контакты изготовлялись путем вварки чистого индия в атмосфере водорода при о

360 С в течение 20 мин с последующим охла»дением (2 ч) до комнатной температуры. После вварки контактов образцы повторно травились в кипящей перекиси водорода в течение

3 мин и промывались в дистиллированной воде.

Облучение производилось на лабораторной гамма-установке, описан- . ной в примере 1,при комнатной температуре. Энергия кванта гамма-излучения h4= 1,25 МэВ удовлетворяет

- условию (2), поскольку для СаАБ

Ь1 щрр = 500 кэВ, а Ь л„„,> 10 МэВ.

Доза облучения составляла — 1,5 10 рад, поскольку велпчины

, и составляли соответственно

df, df

0,767 и 7,75 10 Х рад ". 11етодика и техника отличались от использованных в примере 1 только тем, что в качестве светофильтра использовалась пластинка арсенида галлия толщиной 0 25 мм. Это обеспечивало однородное возбуждение обьема образца светом из области края собственного поглощения.

На фиг.3 представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в арсениде галлия. Кривые 1 и 2 получены при использовании предлагаемого способа и способапрототипа на одном и том же образце и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа.

II. 2. Полупроводниковый мате5 риал — соединение типа А В - hocфид индия П -типа.

Исследовался фосфид индия и -типа, легированный компенсирующей акцепторной примесью: а-Си концен15 .трация мелких доноров Ир = 9 10 см э, концентрация акцепторов (меди)

>5

= 6 10 см (см.фиг.4), б — Zn, Нь = 6 10" cM, концентрация акцепторов (цинка) и <= 5 ° 10 " см- (см.фиг.5). Из обоих этих материалов вырезались образцы в виде прямоугольных параллелепипедов размерами 8 1 0,5 мм . Образцы шлифовались абразивным порошком 11-14 и промывались в воде и спирте. Затем к ним припаивались контакты из свинца. При пайке использовался флюс особой чистоты. Геометрия размещения контактов была такой же, как в примерах 1 и II.1.

Облучение производилось на лабораторной гамма-установке при комнатной температуре. Средняя энергия гамма-кванта = 1,25 МэВ

1О удовлетворяет условию (2), поскольку для фосфида индия Ildrlop = — 270 кэ — для In и 110 кэ — для

P,à )111 „,„ ) 10 МэВ.Дозы облучения были выбраны равными 4,5 10 рад, поскольку величина f в обоих мате15 риалах оказалась равной j,= 0,97, а составляла (7+1) 10 7 рад

4 т с1 Ч

Методика и техника измерений не отличались существенно от использо20 ванных в примерах 1 и II.1. Единственное отличие состояло в том, что в качестве светофильтра использовалась пластинка InP толщиной - 0,5 лм, чтобы обеспечить возбуждение из области края собственного поглощения.

На фиг. 4 и 5 соответственно представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в

n-InP:Cu и и-InP:Zn. Кривые 1 получены при использовании предлагаемого способа. Кривые 2 — для сравнения — получены при использовании способа-прототипа на тех же образ35 цах и при всех прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа.

III. Полупроводниковый материал—

40 соединение типа A B — теллурид

6 кадмияIT, †òè. .!

Исследовался теллурид кадмия, специально не легированный, с концентрацией Ур- 2,5 ° 10 см з . Из

45 материала вырезался образец в виде прямоугольного параллелепипеда размером 8к1 0,5 ммз. После шлифовки абразивным порошком М-14 и травления на образец наносились элек50 тролитически медные контакты, на которые напаивался индий. Геометрия контактов была такая же, как в примере Х и II. Облучение производилось па гамма установке, описан55 ной .в примере 1, при комнатной температуре. Источником гамма-излуче1 ния служил ОСо. Средняя энергия гамма-кванта Ы = 1,25 ИэВ удов10

1! 18238

150 летворяет условию (2), поскольку для ОdTe 44 = 235 кэВ (Сд) и

340 кэВ (Те), h4, î 10 11эВ. Доза облучения была равной = 9 ° 10 рад, 9 поскольку величина (в материале оказалась равной f,= 0,87, а

df, d Ф составляла 2,7 10 X рад" . Методика и техника измерений отличалась от использованных в примерах I u II только тем, что в качестве светофильтра использовалась пластинка

CdTe толщиной 0,45 мм, чтобы обеспечить однородность возбуждения из области края собственного поглощения.

На фиг.б представлены результаты исследования сигнала фотопроводимости в CdTe. Кривые 1 н 2 получены при использовании соответственно прецлагаемого способа и .чособапрототипа на одном и том же образце при прочих равных условиях. Видно, что чувствительность предлагаемого способа выше, чем способа-прототипа.

5 Как видно из примеров реализации предлагаемого способа, чувствительность его по сравнению с прототипом повышена от 3 до 15 раз. Это позволит произвести более точную разбраковку полупроводниковых материалов, идущих на изготовление различных полупроводниковых приборов, и уменьшить процент их брака. В настоящее время разбраковка идет на уровне

l5 готовых приборов, при этом пропадает труд, затрачиваемый на их изготовление, вспомогательные материалы, контакты и т.д. Наш способ дает возможность разбраковки на уровне мате20 риала. Это приводит к экономии материалов оборудования и трудовых затрат при изготовлении приборов.

1 I 18238 О!

5Ю 0$

4с

Е

° 4 0

Ж у

Щ

ВБИЛИ Заказ 793/3 :Тираж 644 Подписное

Филиал ППП "Патент", .г.Ужгород, ул.Проектная, 4