2.3 Спектральный диапазон оптической прозрачности чистого кремния

В нормальных условиях чистый кремний прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны 1,1 мкм. Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия. Однако для наблюдения собственной электропроводности при комнатной температуре содержание остаточных примесей в кремнии не должно превышать. Используемые методы очистки полупроводников не позволяют добиться столь высокой степени чистоты.

3 Определение времени жизни носителей заряда

К кремнию, производимому для изготовления полупроводниковых приборов, предъявляется ряд определенных количественных требований. Одним из главных требований является соответствие физического параметра - времени жизни носителей заряда определенному интервалу значений. Фактически измерение времени жизни характеризует качество кремния: чем выше чистота и структурное совершенство, тем, как правило, выше время жизни носителей заряда.

Известен способ измерения времени жизни носителей заряда, применяемый для измерения распределения (картирования) времени жизни носителей заряда в пластинах кремния, использующий физическое явление поглощения света свободными носителями заряда в инфракрасном диапазоне спектра. Метод включает в себя:

• приготовление объекта измерений в виде пластины кремния, а также тщательную подготовку поверхности пластины определенными физико-химическими обработками, направленными на снижение вклада паразитного эффекта - поверхностной рекомбинации в определяемое значение объемного времени жизни

• освещение пластины импульсным лучом лазера с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса менее измеряемого времени жизни носителей с целью импульсной инжекции избыточных носителей в измеряемую область пластины за счет генерации электронов и дырок

• освещение той же измеряемой области непрерывным лучом лазера с длиной волны 33,9 мкм с целью тестирования количества введенных носителей заряда по поглощению на свободных носителях

• регистрацию временной зависимости интенсивности излучения 3,39 мкм, прошедшего через пластину, с использованием фотоприемника с инерционностью меньшей, чем измеряемое время жизни

• вычисление времени жизни носителей по измеренной временной зависимости сигнала фотоприемника.

Вычисления базируются на аппроксимации спада поглощения после окончания импульса накачки с длиной волны 1,06 мкм экспонентой, аргументом которой служит взятое со знаком минус отношение текущего времени, отсчитываемого от окончания импульса накачки, к искомому времени жизни носителей заряда. Откуда, собственно, и определяется время жизни носителей. В результате из измерения наклона измеренной кривой релаксации, где по оси Y отложен логарифм сигнала, а по оси Х - время относительно конца импульса инжекции, определяется эффективное время жизни, которое есть функция от двух величин: объемного времени жизни и скорости поверхностной рекомбинации.

Предполагая, что вышеназванными физико-химическими обработками вклад в измеряемое эффективное время жизни существенно ослаблен, измеренное эффективное время жизни принимается за значение истинного, объемного времени жизни.

Данный метод имеет следующие недостатки:

• Метод не позволяет неразрушающим образом измерить распределение времени жизни по слитку, поскольку требует разрезания слитка кремния на пластины. Он лишь позволяет почти неразрушающим образом определить время жизни на двух противоположных торцах слитка, с которых могут быть отрезаны пластины для измерения. Поскольку длина слитков обычно составляет от десятых долей метра до 1 метра и более, а толщина измеряемых шайб составляет миллиметры, то картина распределения времени жизни носителей по слитку получается весьма и весьма далеко не полной.

• Требуется очень тщательная подготовка поверхности, чтобы уменьшить неточность, связанную с отождествлением эффективного времени жизни с истинным объемным временем жизни носителей. Это связано с возможным существенным вкладом рекомбинации избыточных носителей заряда на поверхности - поверхностной рекомбинацией в измеряемый сигнал. Что искажает вид релаксационной кривой по сравнению со случаем, когда рекомбинация избыточных носителей происходила бы только в объеме измеряемой шайбы, то есть когда явно преобладала бы объемная рекомбинация.

Поиск надежных методов подготовки поверхности с низкой скоростью поверхностной рекомбинации до сих пор продолжает быть предметом научных исследований. По мере прогресса в получении высококачественного кремния повышается и время жизни, что приводит к уменьшению относительного вклада объемной рекомбинации и, соответственно, к увеличению относительного вклада поверхностной рекомбинации при проведении измерений. Тем самым проблема с тщательностью подготовки поверхности только усугубляется во времени.

Другим подходом, позволяющим уменьшить паразитный вклад поверхностной рекомбинации, является увеличение толщины измеряемой шайбы: при толщине шайбы, на порядок превышающей диффузионную длину, вклад поверхностной рекомбинации в измеряемый сигнал становится практически несущественным. Но поскольку в современных высококачественных слитках кремния диффузионная длина составляет десятые доли сантиметра, это требует отрезания шайб с каждой стороны толщиной в несколько сантиметров, что при типичной длине слитка 50-100 см становится уже существенной безвозвратной потерей объема продукции. Кроме того, даже при больших толщинах измеряемой шайбы вклад поверхностной рекомбинации остается ввиду локализации области генерации избыточных носителей заряда в приповерхностном слое, составляющем около 1 мкм измеряемой шайбы. Это, в свою очередь, связано с малой глубиной поглощения света с длиной волны 1,06 мкм в кремнии - около 1 мм.

Известен способ измерения времени жизни носителей заряда методом использования двух лучей инфракрасного диапазона, применяемый для определения времени жизни носителей заряда в образцах кремния в форме брусков прямоугольного сечения миллиметровых размеров в сечении.

Метод включает в себя:

• резку, шлифовку, полировку и химическую обработку граней образца

• освещение одной грани образца импульсным лучом лазера с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса менее измеряемого времени жизни с целью импульсной инжекции избыточных носителей в измеряемую область пластины за счет генерации электронов и дырок

• освещение другой грани, примыкающей к вышеназванной, непрерывным лучом лазера с длиной волны 3,39 мкм, с диаметром луча меньшим, чем ширина освещаемой им грани, с целью тестирования количества введенных носителей заряда по поглощению на свободных носителях

• регистрацию временной зависимости интенсивности излучения 3,39 мкм, прошедшего через образец, с использованием фотоприемника с инерционностью меньшей, чем измеряемое время жизни

• варьирование координаты точки падения тестирующего луча 3,39 мкм на грань и е) математическую обработку измеренной временной и координатной зависимостей сигнала фотоприемника.

В результате математической обработки, представляющей собой сопоставление измеренных зависимостей с результатами расчетов по физической модели поведения инжектированных носителей во времени и в пространстве, учитывающей процесс рекомбинации носителей на поверхности, определяются объемное время жизни и скорость поверхностной рекомбинации.

Важной особенностью метода является длина волны первого лазера 1,06 мкм. Излучение этого лазера создает избыточные носители заряда в кремнии. Пространственное распределение инжектированных носителей заряда вглубь образца по нормали от освещаемой светом 1,06 мкм грани непосредственно после импульса инжекции повторяет распределение интенсивности излучения лазера 1,06 мкм по мере его прохождения вглубь образца. Поскольку коэффициент поглощения для кремния на длине волны 1,06 мкм составляет 10 обратных сантиметров, это означает, что инжектированные носители в основном сосредоточены на глубине, равной обратному значению коэффициента поглощения, а именно 1 мм.

Данный метод имеет следующие недостатки:

• Метод не позволяет измерить неразрушающим образом пространственное распределение времени жизни в слитках, поскольку в силу относительно малой глубины проникновения излучения накачки для измерения должны применяться образцы в форме брусков с поперечным размером примерно 1 мм.

• Требуется очень тщательная подготовка поверхности, чтобы уменьшить неточность, связанную с паразитным вкладом поверхностной рекомбинации. Достоверность полученных результатов оценить проблематично, поскольку кроме паразитного вклада собственно поверхностной рекомбинации остается неучтенным влияние возможного встроенного электрического поля вблизи поверхности на пространственно-временную кинетику носителей заряда.

Техническим результатом изобретения является создание способа, который позволяет неразрушающим образом получить трехмерную картину распределения времени жизни носителей заряда в слитках кремния практически любых размеров. В заявляемом способе принципиально устраняются и другие недостатки, а именно паразитное влияние поверхностной рекомбинации в измеряемую величину, способное приводить к недостоверности получаемых результатов, а также необходимость тщательной подготовки поверхности с целью снижения поверхностной рекомбинации.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения времени жизни носителей заряда в кремнии, включающем подготовку объекта к измерению, освещение поверхности объекта импульсным лучом накачки создающим избыточное количество носителей заряда, и непрерывным тестирующим излучением с длинами волн больше, чем длина волны импульсного луча накачки.

После этого осуществляют пересечение областей импульсного луча накачки и тестирующего излучения внутри измеряемого объекта, принимают прошедшее через объект тестирующее излучение, регистрируют временную зависимость интенсивности выходящего из объекта тестирующего излучения, вычисляют время жизни носителей заряда по измеренной временной зависимости, а затем сканируют указанной областью пересечения объем измеряемого объекта и определяют время жизни носителей заряда для сканируемых областей; в качестве объекта измерения выбирают выращенный слиток кремния, а освещение импульсным лучом накачки проводят с длиной волны 1,15-1,28 мкм, после чего дополнительно регистрируют место выхода импульсного луча накачки из объекта измерения, по которому определяют траекторию импульсного луча накачки внутри объекта.

Кроме того, для увеличения производительности способа тестирующее излучение выбирают в виде более чем одного луча, а измерения проводят одновременно в нескольких областях слитка. Что сокращает время сканирования слитка.

Кроме того, для увеличения производительности способа измерения, включающие один импульсный луч накачки и один тестирующий луч, проводят одновременно и независимо в различных областях измеряемого объекта. Что сокращает время сканирования слитка.

Кроме того, для увеличения производительности способа измерения, включающие один импульсный луч накачки и тестирующее излучение в виде более чем одного луча, проводят одновременно и независимо в различных областях объекта. Что сокращает время сканирования слитка.

Кроме того, для увеличения производительности способа на поверхности измеряемого объекта создают полированные участки цилиндрической либо сферической формы с минимальными размерами участков не менее диффузионной длины носителей заряда.

Что уменьшает расходимость и рассеяние тестирующего излучения при прохождении через измеряемый объект и тем самым сокращает время измерения за счет увеличения соотношения сигнал/шум. Что сокращает время сканирования слитка.

В способе измерения времени жизни используется лучевое тестирование, но применительно не к пластине или специально вырезанному образцу миллиметровых размеров, а ко всему слитку, и проведением измерений в заглубленных от поверхности областях, где влияние поверхности на результаты измерений отсутствует. То есть слиток в предлагаемом методе является измеряемым объектом. При этом некоторые части поверхности слитка обрабатываются с целью придания этим частям определенной формы, необходимой для прохождения по крайней мере импульсного луча накачки по определенной траектории внутри слитка. После подготовки слиток остается годным для дальнейшего использования в качестве материала для получения пластин кремния, поскольку предлагаемая обработка слитка - торцевание и/или незначительная обработка боковой поверхности не затрагивает центральную, основную часть слитка, идущую в дальнейшем на изготовление пластин кремния.