CC BY
8Связь структурных параметров с процентом выхода и качеством многомезовых кремниевых лавинопролетных диодов миллиметрового диапазона
Ташилов А.С. ([email protected] ), Барашев М.Н., Хапачев Ю.П.
Кабардино-Балкарский государственный университет
Резкое улучшение качества традиционных, а также освоение новых полупроводниковых материалов позволили в последние годы перейти к созданию больших, сверхбольших и сверхбыстродействующих интегральных схем, принципиально новых оптоэлектронных и СВЧ-приборов, существенно повысить степень миниатюризации микроэлектронных устройств. При изготовлении целого ряда СВЧ приборов и лавинопролетных диодов, в частности, к качеству кремния, предъявляются достаточно жесткие требования: необходимы бездислокационные монокристаллы больших размеров с равномерным распределением легирующих примесей и собственных точечных дефектов. К эпитаксиальным пленкам предъявляются еще и свои, специфические требования. Так одним из необходимых условий является заданное значение градиента деформации пленки в приповерхностном слое и глубина изменения деформации.
Контроль качества таких структур с заданными физическими свойствами осуществляется различными способами, однако рентгеновская дифрактометрия является пока одним из наиболее экспрессных и эффективных неразрушающих методов определения параметров реальной структуры [1].
В принципе, определение этих величин возможно путем расчета по профилю примеси, определенному каким-либо другим методом. Например, вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС), резерфордовское обратное рассеяние ионов (РОР), активационный анализ (АА), послойная электронная Оже-спектроскопия (ЭОС) [2,3], а также электрическими методами. Однако, использованный нами РД метод [4,5] имеет ряд преимуществ. Он универсален в отношении легирующей примеси; поскольку чувствителен к деформации
решетки, вызываемой легирующей примесью. В то же время электрические методы определения профиля (методы С- V характеристик, сопротивления растекания, дифференциальной проводимости) чувствительны лишь к электрически активной примеси. Из-за малых эффективных сечений неупругого рассеяния легких элементов РОР применим только для элементов с 2 > 10 и ограниченно используется для элементов, распределенных внутри матрицы тяжелого элемента. В связи с тем, что в настоящее время наиболее широко используются ускорители с энергиями до 5 МэВ, метод АА применяется только для определения легких элементов с 2 < 20.
Многочисленные эффекты, связанные с распылением образцов ионным пучком - атомное перемешивание, избирательное травление и изменение состава соединений, усиление диффузии и образование сегрегаций, электронно-стимулированная десорбция и ряд других - в методах ВИМС и послойной ЭОС затрудняют адекватное построение профиля примеси и его количественную интерпретацию [2,3]. Следует также отметить, что эти методы значительно менее чувствительны к тяжелым элементам, а максимальная чувствительность
20 19 3
ЭОС ограничивается концентрациями атомов 10 ^10 см , что не позволяет анализировать большинство структур, сформированных диффузией и ионной имплантацией.
Сущность использованного РД метода [4,5] заключается в том, что КДО от двухслойной гетероструктуры с сильно размытой гетерограницей (слабый градиент деформации) должна содержать достаточно интенсивные интерференционные максимумы, расположенные между пиками пленки и подложки. Таким образом, форма КДО от такой гетеросистемы становится сложной и резко асимметричной по интенсивности. Все это, конечно, относится к пленке постоянного состава, но с переходной областью на гетерогранице.
Для пленки переменного состава должны выполняться следующие условия. Толщина переходной области й должна быть много меньше толщина пленки к (й << И). Поскольку амплитуда деформации Ае = е, то градиент
деформации в пленке As/h, как правило, меньше градиента деформации в переходной области, то есть должно выполняться соотношение As/h << s/d. Особенности КДО от такой системы будут определяться, в основном, градиентом деформации в пленке, а не градиентом деформации в переходной области.
Теоретический анализ КДО [4,5] в приближении постоянного градиента деформации (Рис.1) показывает, что она будет представлять собой резко асимметричную по интенсивности кривую. Причем, интерференционные максимумы будут расположены преимущественно с одной стороны от РД пика пленки и монотонно убывать по интенсивности. Угловое положение РД пика пленки относительно РД пика подложки зависит теперь не только от среднего значения деформации в пленке, но и от градиента деформации в ней. Поэтому для гетероструктуры с градиентом деформации в пленке определение НПР и напряжений по деформации, вычисленной непосредственно из углового расстояния между пиками пленки и подложки, оказывается уже не корректным. Следовательно, предыдущие рассуждения приводят нас к выводу, что для пленок с неоднородным изменением состава необходимо определять значение градиента деформации, амплитуды деформации As, среднее значение деформации и уже потом вычислять по соответствующим формулам НПР и напряжения. Для нахождения указанных характеристик необходимо решать задачу рентгеновской дифракции с конкретной функциональной зависимостью от координаты z компоненты тензора деформации szz(z), что и было сделано в [4,5].
)
0
Ае
£0
Рис.1. Закон изменения деформации 8и(г) в автоэпитаксиальной пленке кремния с диффузией бора.
Следуя этим работам были определены градиент деформации, величина А8 и толщину пленки к для ряда образцов.
Исследованные образцы представляли собой кремниевые диски толщиной 350 мкм с ориентацией (111) с автоэпитаксиальной пленкой кремния (с различными толщинами, от 0,1 мкм до 3,5 мкм), в которую на разные глубины проводилась диффузия бора, концентрация которого в поверхностном слое не
19 2
превышала 4- 10 см .
Кривые качания от исследуемых образцов различных партий были получены на двухкристальном спектрометре в геометрии Брэгга. Типичная КДО от образцов этих партий приведена на рис 2.
Для изучения кремниевых структур в качестве монохроматора использована пластина кремния с ориентацией (111), рефлекс (444) МоКа1 излучения. Для лучшего разрешения пиков на КДО для образцов третьей партии выбирались рефлексы с большими индексами Миллера, соответствующие малым межплоскостным расстояниям: (444), (555),
(551),(533) и (733). Размеры рентгеновского пучка на поверхности образцов не превышали 0,5 мм в плоскости дифракции и 1,0 мм в вертикальной плоскости.
Рис.2. Характерная экспериментальная КДО от автоэпитаксиальной системы кремния с диффузией бора. Рефлекс (551) MoKa1 излучения.
В таблице 1 по результатам РД эксперимента приведены для автоэпитаксиальных пленок кремния с диффузией бора рассчитанные значения величин As/h, s0 и h. Расчет подтверждается также и тем, что толщины диффузионных слоев для этих образцов, полученные по методу шар-шлифа, совпадают по порядку величины с данными, приведенными в таблице.
В этой же таблице 1 приведены результаты по проценту выхода годных 8-структурных ЛПД p+nn+ и p+pnn+ типа с разными значениями As/h, s0 и h на операциях сборка и электротермотренировка. Образцы с большими значениями деформации в p+ слое дают меньший процент выхода на операции сборка. Образцы с большим значением градиента деформации дают меньший процент выхода годных на операции электротермотренировка. Таким образом,
I
А в.
0,0 844 168,8
угл.с
использованный РД метод показал корреляцию между величиной деформации и ее градиентом и процентом выхода годных приборов.
Использованная методика РД анализа позволила в итоге с одной стороны, скорректировать конструктивные размеры монтируемых при сборке прибора кристаллов, с другой стороны привела к определенным технологическим требованиям к классу поверхности теплоотвода. В итоге удалось осуществить характеристики многомезовых ЛПД миллиметрового диапазона, приведенные в [7] при большей надежности работы приборов и большем их проценте выхода.
Таблица 1.
Образцы Де/А, е0, 10-4 А, Процент выхода
№ 10-4 мкм годных приборов.
партии -1 мкм
После После
сборки испытаний
1 -33,9 -12,0 0,35 48 23
+ + р пп -34,4 -11,9 0,35 50 18
2 -26,13 -14,4 0,55 34 60
++ р пп -25,9 -14,0 0,54 36 57
3 -65,2 -9,78 0,15 73 23
++ р рпп -96,4 -9,б4 0,10 74 20
ЛИТЕРАТУРА
1. Хапачев Ю.П., Чуховский Ф.Н. Развитие рентгенодифрактометрического метода определения деформаций, напряжений и несоответствия в гетероструктурах. // Методы структурного анализа. М.: Наука. 1989. С.188-204.
2. Анализ поверхности методами Оже-рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. // Под редакцией Д. Бриггса и М.П. Сиха. М: Мир, 1987. 432 с. 3.Электронная и ионная спектроскопия твердых тел. Под редакцией Л. Фирменса. М.: Мир.1981.-352 с.
4. Хапачев Ю.П., Чуховский Ф.Н. Развитие рентгенодифрактометрического метода определения деформаций, напряжений и несоответствия в гетероструктурах. // Методы структурного анализа. М.: Наука. 1989. С.188-204.
5.Хапачев Ю.П., Шухостанов А.К., Дышеков А.А., Барашев М.Н., Оранова Т.И. Рентгенодифракционный способ определения характеристик эпитаксиальных структур. // А.С. №1526383. Зарегистрировано 01.09.1989.
6. Барашев М.Н. Рентгенодифракционное исследование приповерхностных слоев кремния и гетероструктур АВ с градиентом деформации. Диссертация кандидата технических наук. Нальчик , КБГУ 2002. С.117.
7. Шухостанов А.К., Ташилов А.С. Успехи в конструировании мощных кремниевых лавинно-пролетных диодов миллиметрового диапазона. Электронная промышленность .1992. вып.6.С.53-56
