WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 1 Инфракрасная томография времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в слитках полупроводникового кремния © В.Д. Ахметов¶, Н.В. Фатеев Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук, 630090 Новосибирск, Россия (Получена 30 мая 2000 г. Принята к печати 31 мая 2000 г.) Представлен неразрушающий метод измерения трехмерной картины распределения времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в слитках кремния длиной до 1 м и диаметром до 0.3 м. Физической основой метода является инфракрасное зондирование слитка с полированными участками поверхности скрещенными лучами. Один луч, импульсно-периодический, с длиной волны 1.15-1.28 мкм, создает избыточные носители в стержнеобразной области, расположенной вдоль траектории луча в слитке, в то время как другие лучи, непрерывные и более длинноволновые, отслеживают временную и пространственную кинетику избыточных носителей в небольшом участке стержнеобразной области и вблизи нее (через поглощение на свободных носителях). В силу удаленности измеряемой области от поверхности слитка метод свободен от необходимости учета поверхностной рекомбинации. Показаны возможности метода на слитке с известной пространственной неоднородностью времени жизни носителей. Достигнуто пространственное разрешение в несколько мм.

Введение ми. Используется импульсно-периодическая фотоинжекция электронов и дырок одним лучом света (лучом наВремя жизни ( ) и диффузионная длина (L) носителей качки) и последующее отслеживание пространственнозаряда характеризуют качество кремния как полупровод- временной картины эволюции числа избыточных носитеникового материала. Измерения и L широко распро- лей другим лучом света (тестирующим лучом) по поглостранены применительно к анализу пластин кремния и щению на свободных носителях. Ранее такой подход прикремниевых структур. Соответствующие многообразные менялся для измерения времени жизни на пластинах [1] методы измерений непрерывно развиваются и совершен- и прямоугольных брусках миллиметрового сечения [2].

ствуются. Однако, что касается анализа слитка кремния В [1,2] для инжекции носителей использовался луч имв целом, то здесь подход к измерениям остался неизмен- пульсного YAG-лазера с длиной волны = 1.06 мкм, ным с 50-х годов, а именно — с двух концов слитка отре- излучение которого поглощается в кремнии на глубине зается по шайбе, производится тщательная механическая 1 мм, в то время как для наблюдения за убылью и химическая обработка поверхности, чтобы снизить избыточной концентрации носителей n применялось вклад поверхностной рекомбинации, после чего произво- излучение He–Ne-лазера с длиной волны = 3.39 мкм, дится собственно измерение методами, разработанными слабо поглощающееся в умеренно легированном кремдля пластин, например, по стандарту ASTM F 1535-94. нии (сечение поглощения порядка 10-17 см2 [1,2]). При этом лучи на исследуемый объект направлялись так, Распределение времени жизни носителей по слитку при этом остается неизвестным. Чтобы получить распределе- чтобы их оси пересекались друг с другом под некоторым углом, в точке либо на поверхности образца, либо вблизи ние времени жизни по слитку, слиток при таком подходе нее в объеме образца. В результате этого экспериприходится весь разрезать на диски, т. е. разрушать.

ментально измеряемая кинетика спада наведенного на В то же время проведение неразрушающих измередлине волны 3.39 мкм поглощения отслеживает убыль во ний на слитках представляет определенный интерес — времени n. После некоторых дополнительных манипуэто и 1) контроль качества слитков как готовой проляций, преследующих цель учесть вклад поверхностной дукции, без неопределенностей в из-за вклада порекомбинации, определялось объемное. Выделение верхностной рекомбинации, и 2) контроль за распрежелаемой для наблюдения области образца происходит делением в слитке при отработке режимов роста, а за счет того, что регистрируемый сигнал поглощения на также в ходе дальнейших термических и радиационносвободных носителях обусловлен только теми носителятермических обработок, например, при проведении нейми, которые локализованы в области пересечения луча тронного трансмутационного легирования.

накачки с тестирующим лучом.

Цель данной работы — разработка метода определеВ предложенном нами методе, апробация которого ния трехмерной картины распределения и L примениявлялась целью данной работы, для импульсной фотоинтельно к слиткам кремния, выращенным как методом Чожекции используется более длинноволновое излучение, хральского, так и методом бестигельной зонной плавки.

= 1.15 - 1.28 мкм, которое слабо поглощается в соФизической основой разработанного метода является вершенном кремнии, тем самым позволяя осуществить зондирование измеряемого объекта скрещенными лучаинжекцию электронов и дырок в любой области слитка ¶ E-mail: akhmetov@isp.nsc.ru размером до 1 м. Наряду с точным пересечением осей Инфракрасная томография времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в слитках... лучей также используется взаимное расположение лучей с некоторым расстоянием между ними, сопоставимым с диффузионной длиной носителей заряда. Благодаря этому достигается 1) возможность томографии слитка с локальностью 1 см по любой из координат, 2) радикальное преодоление проблемы паразитного вклада поверхностной рекомбинации путем дистанцирования измеряемой области слитка от поверхности и 3) дополнительная возможность измерения L.

Эксперимент Спектры пропускания слитка кремния длиной 125 мм с полированными торцами, перпендикулярными оси слитРис. 2. Принцип томографического измерения времени жизни ка, при прохождении света вдоль оси слитка, измерени диффузионной длины носителей заряда в слитке кремния.

ные при комнатной температуре и температуре 80C на дифракционном спектрофотометре СФ-8, приведены на рис. 1. Из полученных спектров видно, что в излучал световые импульсы длительностью 30 нс, с шииспользованном диапазоне температур при длинах волн риной линии генерации 0.5 нм, с частотой повторения <1.15 мкм кремний при этих толщинах практически 20 Гц–5 кГц и с энергией в импульсе 2 · 10-4 Дж на непрозрачен, а при > 1.28 мкм практически полдлине волны = 1.17-1.18 мкм. Длина волны накачки ностью прозрачен (за исключением 30%-го отражения грубо выбиралась по спектру пропускания, а более точот поверхностей). Интервал температур T = 20-80 C но — подбором по критерию половинного ослабления соответствует обычно используемым температурам при амплитуды измеряемого сигнала по мере передвижения проведении измерений времени жизни в кремнии, в том области пересечения лучей от места входа луча накачки числе и для проведения тестов на наличие прилипания носителей на ловушках. Таким образом, для фотоинжек- к месту его выхода из слитка.

ции носителей заряда в слитках кремния необходимо В качестве тестирующего излучения использовался использовать излучение с длинами волн в интервале луч непрерывного гелий-неонового лазера с длиной = 1.15-1.28 мкм. волны 3.39 мкм, мощностью 10 мВт. Диаметры лучей Исходя из измеренных спектров пропускания был варьировались от 1 до 10 мм путем применения линз.

выбран источник луча накачки в виде импульсного пе- Для заведения лучей в слиток и их взаимного пересерестраиваемого по длине волны в указанных пределах чения внутри слитка в желаемой области использовались твердотельного лазера на F--центрах в LiF [3]. Лазер две схемы эксперимента, ход лучей в которых показан на рис. 2.

В первой схеме, именуемой далее ”перпендикулярной геометрией”, тестирующий луч падал нормально на плоский торец слитка и распространялся вдоль оси слитка, а луч накачки — нормально на боковую поверхность и распространялся перпендикулярно оси слитка. Предварительно на боковой ”квазицилиндрической” поверхности слитка делались вдоль слитка две небольшие по ширине плоские грани на двух диаметрально противоположных друг другу сторонах ”квазицилиндра”.

Грани изготавливались с целью обеспечить прохождение лучей без искажения формы. Ширина граней составляла 10-20 мм. Подготовка поверхностей осуществлялась механической резкой, шлифовкой и полировкой, точность плоскопараллельности граней составляла 2-3.

Химическая обработка поверхностей не применялась.

Оптической системой оси лучей направлялись взаимно перпендикулярно и так, чтобы обеспечить их точное, в случае измерения, пересечение внутри слитка, лиРис. 1. Спектры пропускания вблизи края фундаментального бо неточное пересечение, с расстоянием между осями поглощения отрезка слитка тигельного кремния с удельным лучей несколько миллиметров, в случае измерения L.

сопротивлением 45 Ом · см длиной 125 мм при температурах 20 (1) и 80C (2). На выходе тестирующего луча из слитка устанавливался Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 42 В.Д. Ахметов, Н.В. Фатеев фотоприемник из охлаждаемого жидким азотом примес- в Институте физики полупроводников Сибирского отного Ge(Au). Сигнал с фотоприемника, усиленный ши- деления Российской академии наук, Новосибирск), с рокополосным усилителем, поступал на 10-разрядный, удельным сопротивлением 45 и 1000 Ом · см соответна основе IBM PC, цифровой осциллограф, запускаемый ственно, диаметром 60-80 мм, длиной 100-250 мм. Для импульсами лазера накачки. Суммарная инерционность определения локальности метода был сделан модельприемно-регистрирующего тракта составляла несколь- ный объект — ”составной слиток”, с известной резкой пространственной неоднородностью. Для этого из ко мкс. Время, затрачиваемое на проведение измерения в средней части слитка Si, полученного методом Чохральодной точке, составляло от 30 с до 20 мин и определялось ского, вырезался, шлифовался и полировался диск толчислом сканов, результаты которых усреднялись для щиной 15 мм. Этот диск отжигался на воздухе при 800C очищения сигнала от шумов.

без принятия специальных мер по соблюдению чистоты Во второй схеме, именуемой далее ”брюстеровской”, с целью понижения за счет проникновения быстробоковая поверхность слитка не обрабатывалась, а ввод диффундирующих рекомбинационно-активных примесей.

обоих лучей осуществлялся только через полированные Торцы двух других частей слитка также шлифовались и торцы, подготовленные как и в предыдущем варианте.

полировались. Затем все три части слитка укладывались При этом тестирующий луч падал на торец нормально и друг за другом в исходной последовательности и измераспространялся вдоль оси слитка, а p-поляризованный рялись как единый слиток.

луч накачки падал на торец (тот же, либо противоположный) под углом, близким к углу Брюстера, 65-75.

В остальном все было как в предыдущем варианте, Результаты и обсуждение за исключением вспомогательного Ge-фотодиода, который устанавливался у боковой поверхности слитка. Он Данные по пропусканию слитка кремния в спектральрегистрировал рассеянное излучение импульсного луча ном диапазоне = 1.15-1.30 мкм, представленные на накачки, выходящее из рифленой боковой поверхности рис. 1, свидетельствуют о том, что в выращенном слитке слитка. В данной геометрии хода лучей угол падения кремния существует заметное околокраевое поглощение, луча накачки на боковую поверхность изнутри слитка простирающееся в случае измерения при комнатной намного превышал угол полного внутреннего отражетемпературе до энергии кванта света h 1.01 эВ ния, если пренебречь рифленостью боковой поверхности ( = 1.23 мкм), в то же время как ширина запрещенной слитка. Однако, несмотря на большой угол падения, зоны кремния при комнатной температуре составляет сигнал рассеянного излучения луча накачки, выходящего EG = 1.126 эВ [4]. По-видимому, причиной наблюиз боковой поверхности, был настолько велик, что входдаемого размытия фундаментального края поглощения ное окно вспомогательного Ge-фотодиода приходилось (которое не заметно на обычно измеряемых пластинах затенять, чтобы диод не входил в насыщение. Измерение кремния толщиной 1мм) являются поглощение на точки выхода рассеянного излучения луча накачки из межзонных переходах с участием фононов, а также несослитка давало возможность более точного вычисления вершенства кристаллической решетки кремния. Не контраектории луча накачки внутри слитка по сравнению с кретизируя далее механизм поглощения при h < EG, измерением траектории по точке входа и углу падения следует заметить, что результатом поглощения света, луча накачки на торец слитка.

как это будет видно из дальнейших экспериментальных Проводились также пробные измерения в геометрии, данных, является возникновение свободных носителей когда луч накачки распространялся вдоль оси слитка, а заряда.

тестирующий луч — поперек, но при этом тестируюНа рис. 3 и 4 представлены семейства кривых релакщий луч падал на необработанную боковую поверхность сации сигнала V во времени t после окончания действия слитка. Оказалось, что и в этой схеме можно региимпульса накачки, измеренные в различных точках вдоль стрировать сигнал модуляции поглощения на свободных оси ”составного слитка”. Диаметр лучей, как тестируносителях, однако отношение сигнала к шуму уменьшающего, так и накачки, составлял 2-3 мм. Рис. 3 соотлось из-за рассеяния и искажения формы тестирующего ветствует ”перпендикулярной геометрии”, а рис. 4 — луча на входе и выходе из боковой квазицилиндрической ”брюстеровской”. На обоих семействах релаксационных необработанной поверхности выращенного слитка. Это кривых видно резкое увеличение наклона кривых при понижало производительность измерений из-за необхопрохождении области измерения средней части слитка, димости длительного накопления сигнала. Далее будут где расположен загрязненный диск кремния. Однако в приведены результаты только для ”перпендикулярной” и случае перпендикулярной геометрии эта резкость выра”брюстеровской” геометрий эксперимента.

жена сильнее.

Объектом измерения служили отрезки слитков крем- На рис. 5 приведена зависимость уровня пика региния, выращенных методом Чохральского (промышлен- стрируемого сигнала, который пропорционален уровню ной слиток с удельным сопротивлением 45 Ом · см), а генерации носителей, на протяжении следования имтакже полученных методом бестигельной зонной плав- пульсного луча накачки вдоль составного слитка (слиток ки (опытные образцы, выращенные на установке FZ-20 длиной 100 мм, диск толщиной 15 мм, слиток длиной Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Инфракрасная томография времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в слитках... 125 мм) при заведении луча накачки с длиной волны 1.17 мкм с полированного торца, перпендикулярного оси слитка, в ”брюстеровской” геометрии измерения.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.