Способ определения профиля распределенияструктурных искажений b поверхностномслое монокристалла

Союз Советскнк Соцналистнческнк Республик(22) Заявлено 27. 07. 79 (2 )2802891/18-25с присоединением заявки Нов(51)М. КлЗ С 01 й 23/20 Государствеииый комитет СССР ио делам изобретений и открытийДата опубликования описания 150581 А.М.Афанасьев, Л.Д.Буйко, Р.М.Имамов, М.В.,Ковальчук,В.Г.Кон и Э.Ф.ЛобановичсИнститут кристаллографии им. А.В.Шубникбва(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯСТРУКТУРНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕМОНОКРИСТАЛЛА Изобретение относится к рентгеноструктурному анализу монокристаллов и может использоваться при контроле технологии производства полупроводниковых приборов.Известны способы определения профиля распределения легирующей примеси в поверхностном слое монокристалла по его глубине, заключающиеся в облучении исследуемой поверхности монокристалла пучком заряженных частиц с энергией, достаточной для возбуждения вторичной эмиссии атомов легирующей примеси, регистрации вторичной эмиссии при последовательном стравлении поверхностного слоя и построении концентрационного профиля легирующей примеси по глубине поверхностного слоя монокристалла 1).Недостатком данных способов являетО ся то, что они не являются неразрушающими, поскольку облучение поверхности монокристалла пучком заряженных частиц обязательно, приводит к стравливанию поверхностного слоя, что одновременно вызывает некоторую неопределенность при построении концентрационного профиля из-за невозможности однозначной привязки результата измерения вторичноГ. эмиссии к ЗО глубине, с которой она имета место. Наличие атомов легирующей примеси в поверхностном слое монокристалла приводит к искажению параметров его кристаллической решетки, которое также характеризуется некоторым распределением по глубине, связанным с концентрационным профилем распределения атомов легирующей примеси.Известен способ определения изменений параметра решетки в поверхностном слое монокристалла методом двух- кристального спектрометра 2 .Недостатками этого способа являются необходимость стравливания поверхностных слоев исследуемого монокристалла для построения профиля распределения искажений по глубине, а также малая точность, обусловленная тем, что измеряемая характеристика представляет собой усредненное значение для слоя значительной толщины, определяемой экстинционной длиной используемого рентгеновского излучения в исследуемом монокристалле.Известен также способ исследования структурного совершенства поверхностных слоев монокристаллов путем измерения зависимости фотоэлектронной эмиссии с поверхности монокрис 830206дения восстановленных кривых дифракционного отражения и выхода электронов внешней фотоэмиссии с зарегистрированными кривыми.Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.Рентгенодифракциоиная картина не может отразить микроструктуру дефектов, а дает лишь сведения о средних характеристиках нарушенности кристал- лическОЙ структуры. Такими характеристиками являются изменение межплоскостного расстояния по глубине, а также фактор, определяющий степень разупорядочения атомов (степень аморфизации). Изменение межплоскостного расстояния удобно описывать с помощьюФ поля средних смещений О ,. Нару шения, вносимые в поверхностный слой монокристалла различными воздействиями, однородны вдоль поверхности монокристалла, т.е. среднее смещение зависит только от одной координаты. Дифракция рентгеновских лучей в нарушенных монокристаллах описывается уравнениями ТаКаги - Топэна. Если профиль искажений (их распределение по глубине слоя) задан, т.е. известны функции Ои.п , то можно легко с помощью уравнений Такаги рассчитать амплитуду отражения йкак Функцию угла падения рентгеновских лучей на монокристалл или, иными словами, кривые отражения Рк(ЕАналогично для известного профиля искажений можно рассчитать интенсивность волнового поля внутри монокристалла, а значит и кривые угловой зависимости выхода фотоэмиссии электронов.Способ реализуют следующим образом.Наисследуемый монокристалл, установленный в вакуумном объеме на е вертикальной оси вращения спектрометра под углом Брэгга.падает кощтимированный и поляризованный пучок рентгеновских лучей. При повороте моно- кристалла вблизи точного значения угла дифракции один из детекторов регистрирует угловое распределение интенсивности дифрагированного кристаллом рентгеновского излучения, а дру; гой одновременно измеряет угловж распределение интенсивности выхода электронов внешней фотоэмиссии. Зная тип воздействия на монокристалл и технологический режим, подбирается наиболее разумная для данных условий и физически обусловленная модель распределения искажений по глубине слоя. Для выбранной модели на основе числового решения уравнений Такаги рассчитывают и строят кривые дифракционного отражения и Фотоэмиссии, Сопоставление рассчетных кривых с экспериментальными позволяет сделать вывод о правильности выбранной модели профиля искажений дд/д( .Если кривые несовпадают, то необходимо скорректиталла от угла падения рентгеновского излучения в диапазоне брэгговской дифракции. Этот способ обладает высокой точностью и чувствительностью к нарушениям, локализованным в поверхностном слое, что обусловлено малой глубиной выхода фотоэлектронов 31.Однако для построения профиля распределения структурных нарушений по глубине необходимо производить стравливание поверхностных слоев монокрис-. 0 талла, что усложняет эксперимент, а самому способу придает разрушающйй характер.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения профиля распределения структурных искажений в поверхностном слое монокристалла, заключающийся в том; что производят регистрацию кривой дифракционного отражения монохроматического рентгеновского излучения от 20 исследуемой поверхности монокристалла, моделируют профиль распределения структурных нарушений в поверхностном слое, восстанавливают с помощью ЭВМ соответствующую моделированному про филю кривую дифракционного отражения, сопоставляют восстановленную Кривую с зарегистрированной кривой и производят коррекцию моделированного профиля до совпадения кривых 4.Недостатками данного способа являются небольшая точность из-за малых интенсивностей отражений в дополнительных областях дифракции при исследовании тонких поверхностных слоев, а также неоднозначность восстановленного профиля при сложных формах искажений.Цель изобретения - повышение точности и достоверности получаемого профиля структурных нарушений. 40Поставленная цель достигается тем,что согласно способу определения профиля распределения структурных искажений в поверхностном слое монокристалла, заключающемуся в том, что про-изводят регистрацию кривой дифракционного отражения монохроматическогорентгеновского излучения от исследу"емой поверхности монокристалла, моделируют профиль распределения структур ных нарушений в поверхностном слое,восстанавливают с помощью ЭВМ соответствующую моделированному профилю кривую дифракционного отражения, сопоставляют восстановленную кривую с зарегистрированной кривой и производяткоррекцию моделированного профиля досовпадения кривых, дополнительно регистрируют кривую выхода электроноввнешней Фотоэмиссии в зависимости отугла падения рентгеновского излучения,60по моделированному .профилю восстанавливают соответствующую ему кривую выхода электронов внешней фотоэмиссиии коррекцию моделированного профиляосуществляют до одновременного совпаФормула изобретения 45 55 50 60 ровать моделированныи профиль искажений. Это легко сделать, варьируя различные параметры, например толщину слоя, максимальное значение изменения межплоскостного расстояния в слое или вид зависимости Ьд/д .Многократно повторяя данную процедуру, можно достичь практически полного совпадения экспериментальных и расчетных кривЫх и таким образом установить действительный профиль рас", 10 пределения искажений по глубине слоя исследуемого монокристалла.На фиг.Ъ и 2 приведены кривые дифракционного отражения Р и кривые фотоэмиссии Ж , рассчитанные для профиля распределения искажений, изо браженного на фиг.З. Каждая кривая Р и зЕ соответствует определенной толщине нарушенного слоя. При этом использованы монокристалл кремния (5), СыК,- излучение, отражение ти па (1 Н ). На фиг.4 показан профиль распределения искажений в поверхностном слое монокристалла 5 , созданный в результате диффузии атомов фосфора из имплантированного слоя. Диф" фузия проводится в атмосфере кислорода. Профиль Ьд/др) восстановлен в полном соответствии с предлагаемым способом сопоставления рассчитанных .и экспериментальных кривых, соответствующих различной толщине нарушенного слоя. На фиг.5 а и о приведен один из последних этапов способа, когда расчетные кривые совпадают с эксаериментальными.Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что при исследовании слоев, имеющих толщину меньше длины экстинкции, когда интенсивность кривой отражения рентгеновских лучей мала, большая интенсивность 40 кривой фотоэмиссии в области углов, соответствующих отражению от поверхностного слоя, позволяет с большой точностью рассчитыватьи сопоставлять,расчетные кривые с экспериментальными.Кроме того, предлагаемый способ определения профиля более однозначен и надежен по сравнению с известным. Фактически решается задача,аналогичная фазовой проблеме в рентгеноструктурном анализе. Действительно, кривые отражения рентгеновских лучей позволяют судить лишь о квадРате модуля амплитуды отражения Вопределенных областей поверхностногослоя монокристалла, в то время как фазы рентгеновского излучения, рассеянного плоскостями, лежащими на различной глубине.нарушейного слоя, остаются неизвестными. Кривые .фото- эмиссии содержат в себе информацию о фазе рассеянного рентгеновского излучения, полностью определяемой профилем распределения искажений по глубине слоя. Более того, значительно повыситьточность и чувствительность способа .можно введением операции послойноготравления нарушенного слоя. Регистрируя для каждой толщины слоя кривуюотражения и кривую фотоэмиссии,можнополучить большой набор экспериментальных данных для одного мэнокристалла. В этом случае расчет кривыхи сопоставление их с экспериментальными проводят одновременно для разных толщин нарушенного слоя. Приэтом кривые дифракционного отражения,их форма, полуширина, расстояние между пиками позволяют выбрать модельпрофиля, за счет введения максииаль- .ного значения параметра Ад/д -толщину нарушенного слоя 1.н ., а кривыефотоэмиссии позволяют определить форму искомого профиля, задающую фазовые соотношения в рассеянном рентгеновском излучении,Использование предлагаемого способа позволяет получить информацию опрофиле распределения искажений,вводимых в поверхностный слой монокристалла в процессе различных воздействий. Способ успешно используется для оптимизации технологии ионного легирования и эпитаксиальногороста различных полупроводниковыхматериалов на основе определенияпрофиля Ьд/д(1 в слое и переходнойобласти подложка - эпитаксиальнаяпленка. Способ определения профиля распределения структурных искажений в поверхностном слое монокристалла, заключающийся в том, что производят регистрацию кривой дифракционного отражения монохроматического рентгеновского излучения от исследуемой поверхности монокристалла, моделируют профиль распределения структурных нарушений.в поверхностном слое, восстанавливают с помощью ЭВМ соответствующую моделированному профилю кривую дифракционного отражения, сопоставляют восстановленную кривую с зарегистрированной кривой и производят коррекцию моделированного профиля до совпадения указанных кривых, о т л и ч а ю щ и й с я .тем, что, с целью повышения точности и достоверности, дополнительно регистрируют кривую выхода электронов внешней фотоэмиссии в зависимости от угла падения рентгеновского излучения, по моделированному профилю восстанавливают соответствующую ему кривую выхода электронов внешней фотозмиссии и коррекцию моделированного профиля осуществляют до одновременного совпадения восстановленных кривых дифракционного отражения и выхода электроноввнешней фотоэмиссии с зарегистрированными кривыми.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Васильев В.К. Методы и аппаратура микроанализа. Серия "Важнейшиеизобретения года". Материалы ЦНИИПИ,М., 1978,с.2.2. Русаков Л,А. Ренгенографчя металлов. М., Атомиздат, 1977, с.262263. 3. Афанасьев А.М., Кон В.Г, Внешний фотоэффект при дифракции рентгеновских лучей в идеальном кристалле с нарушенным поверхностным слоем. - 1 ХЭТФ, 1978, 74, с.300.4. Вцг 9 еай д. Тацр 1 п О, Арр 11 саС 1 оп де,.1 а .Ьеог 1 е д 1 пащоце де 1 а д 1 ГЕгасй 1 оп Х де 1 ейцде де 1 а д 1 ГГцз 1 оп дц Вог ей дц РЬозрЬог дапа 1 еа сгуя 1 еацх де а 111 с 1 цщ, Асйа сгуьС, 1968, А 24, р.99 (прототип).а лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж 907 И Государственного ко делам изобретений ио осква, Ж, Раушская