Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие технологии микроэлектроники предполагает уменьшение вертикальных и горизонтальных размеров отдельных элементов интегральных схем, при одновременном увеличении их количества. Разработка новых микроэлектронных приборов в настоящее время возможна только при достаточно высоком уровне развития диагностики, главной задачей которой являются увеличение количества контролируемых параметров полупроводников с локальностью, соответствующей размеру отдельного элемента интегральной схемы. Вследствие этого разработка физических основ новых неразру-шающих методов исследования и контроля полупроводниковых материалов, а также исследования, направленные на улучшение локальности традиционных методов с целью получения пространственного разрешения, лежащего в субмикронном диапазоне, является весьма актуальной задачей физики и технологии полупроводниковых микроструктур.
Одними из наиболее перспективных и распространенных в настоящее время остаются электронно-зондовые методы. Возможность фокусировки электронного пучка до размеров порядка единиц нанометров удовлетворяет всем необходимым требованиям локальности, выдвигаемым современной технологией микроэлектроники, и в настоящее время эти методы широко используются для решения как диагностических, так и исследовательских задач. Большое многообразие физических явлений, возникающих при взаимодействии высокоэнергетичного электронного пучка с твердым телом, дает возможность проведения комплексного исследования, т.е. измерения целого ряда оптических, электрических, геометрических, структурных и других параметров, достаточно полно характеризующих исследуемую структуру.
Вместе с тем пространственное разрешение в большинстве электронно-зондовых методов, как правило, еще существенно хуже того предела, который обусловлен возможностями фокусировки
электронного пучка. Оно зависит от ряда физических параметров образца, а также от методов регистрации сигнала. Исследование физического механизма формирования сигнала, в различных режимах его регистрации, с целью улучшения пространственного разрешения является одной из важнейших задач электронной микроскопии. К моменту начала настоящей работы считалось, что пределом пространственного разрешения в методе микрокатодолгоминесценции, наведенного тока, и некоторых других методов растровой микроскопии является область генерации неравновесных носителей, созданных электронным пучком, то есть та область в которой происходит рассеяние с потерей энергии высокоэнергетичных электронов пучка. В ряде случаев диффузия неравновесных носителей, созданных электронным пучком, существенно снижает локальность измерения физических параметров образца методами растровой микроскопии. Для приведения пространственного разрешения электронно-лучевых методов в соответствие с нуждами микроэлектроники в последние годы бурно развиваются методы электроннолучевой томографии, позволяющие решать обратную задачу неразрушающего восстановления свойств неизвестных заранее объектов и структур с разрешением, существенно лучшим, чем размер области генерации неравновесных носителей, и лежащим в субмикронном диапазоне. С их помощью удалось решить ряд задач, связанных с диагностикой приборов микроэлектроники, неразрешимых традиционным способом.
В последнее время с помощью новых технологических методов получены материалы с малым количеством объемных и поверхностных дефектов и примесей. Для диагностики таких материалов с помощью традиционных аналитических методов, таких как рентгеновский микроанализ, оже-спектроскопия, часто необходима доза облучения, которая приводит к разрушению исследуемого объекта. Это выдвигает еще одно требование к разрабатываемым методам диагностики - требование высокой чувствительности измерений. Такому требованию удовлетворяет группа методов, называемых методами наведенной концентрации. Сигнал в этих методах формируется вторичными электрон-дырочными парами, созданными высокоэнергетичным электронным пучком, в результате чего квантовый выход этих методов составляет 103-104, что и
обеспечивает их высокую чувствительность. Метод катодо-люминесценции является одним из наиболее перспективных в этой группе методов именно для диагностики высокочистых материалов, потому что вероятность излучательной рекомбинации, а следовательно, чувствительность возрастает с уменьшением плотности дефектов и примесей. Кроме того, поскольку этот метод является спектральным, с его помощью можно получить информацию отдельно о каждом типе исследуемой примеси.
В связи с этим разработка и исследование физических основ метода, обладающего возможностями метода традиционной микрока-тодолюминесценции и повышенным пространственным разрешением, в частности, разрешением по глубине, является актуальной задачей диагностики наноструктур.
Цель работы.
Разработка физических основ томографического метода, основанного на модуляции ускоряющего напряжения и тока электронного пучка и позволяющего добиться разрешения по глубине в режиме катодолюминесценции, существенно лучшего размера области генерации.
Определение границ применимости и разрешения предложенного метода.
Исследование возможностей этого метода для неразрушающего восстановления геометрических и оптических параметров многослойных структур с субмикронным разрешением.
Исследование зависимости локальности регистрации спектров катодолюминесценции, при одновременной модуляции ускоряющего напряжения и тока электронного пучка от параметров модуляции, в условиях диффузии неравновесных носителей в пространственно-неоднородных образцах.
Научная новизна.
Впервые показана возможность получения разрешения по глубине существенно лучше глубины проникновения электронов пучка, что может послужить основой для исследований, направленных на создание группы аналогичных методов в различных режимах регистрации сигнала в растровой микроскопии. Показана возможность разделения спектров от различных слоев многослойной структуры, а также определения толщин скрытых слоев с помощью одновременной модуляции ускоряющего напряжения и тока электронного пучка. Предложен способ восстановления профиля излучающей примеси с помощью модуляционной катодолюминесценции.
Показано, что при одновременном изменении ускоряющего напряжения и тока электронного пучка изменение концентрации неравновесных носителей может быть равно нулю во всех точках образца за пределами области генерации неравновесных носителей. Установлен критерий, которому должно удовлетворять распределение модуляционного сигнала в некоторой области, для тождественного обращения в нуль сигнала в каждой точке указанной области. Получено аналитическое выражение для расчета параметра модуляции, необходимого для обращения в нуль сигнала во всех точках образца за пределами области генерации неравновесных носителей. Показано, что параметр модуляции зависит только от значения диффузионной длины и скорости поверхностной рекомбинации в пределах области генерации неравновесных носителей.
Практическая значимость.
Созданный метод катодолюминесценции с модуляцией ускоряющего напряжения и тока электронного пучка может стать одним из наиболее эффективных при исследовании многослойных планарных структур субмикронных размеров. Предложенные модели формирования сигнала в многослойных структурах, а также уравнения для расчета параметров модуляции, необходимы для применения данного метода к решению как научных, так и практических задач диагностики микроструктур.
Разработана и создана экспериментальная установка для спектральной катодолюминесценции, позволяющая производить модуляцию ускоряющего напряжения и тока электронного пучка синфазно либо в противофазе по отношению друг к другу и изменять отношение глубин модуляции в широких пределах, что позволяет производить послойное исследование многослойных структур методом спектральной катодолюминесценции в широком диапазоне соотношений между толщинами слоев.
Основные положения, выносимые на защиту:
новый томографический метод микрокатодолюминесценции с разрешением по глубине, определяющимся лишь чувствительностью экспериментальной установки.
уравнение, описывающее сигнал модуляционной катодолюминесценции в каждой точке образца.
результаты моделирования, дающие соотношения между толщинами слоев трехслойной структуры, при которых можно регистрировать спектр независимо от каждого слоя.
способ восстановления профиля излучающих центров методом модуляционной катодолюминесценции, особенно эффективный при экспоненциальном и гауссовом профиле центров.
возможность существенного улучшения локальности регистрации спектров катодолюминесценции, основанная на том факте, что при одновременной модуляции ускоряющего напряжения и тока электронного пучка, изменение концентрации неравновесных носителей в каждой точке образца, за исключением области генерации, может быть равным нулю.
критерий, которому должно удовлетворять распределение модуляционного сигнала в некоторой области, для тождественного обращения в нуль сигнала в каждой точке указанной области.
выражение для расчета значения параметра модуляции, при котором область сбора сигнала модуляционной катодолюминесценции уменьшается до размеров области генерации неравновесных носителей, обоснование факта, что это значение определяется диффузионной длиной и скоростью поверхностной рекомбинации в пределах области генерации и не зависит от граничных условий задачи.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на следующих конференциях:
-
IV Всесоюзный симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород. Апрель 1989.
-
VI International School on Physical Problems in Microelectronics. Varna. Bulgaria. May 1989.
-
VIII Симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Черноголовка. Май 1993.
-
International Workshop BIADS' 93 .University of Bologna, Italy, August-September 1993.
-
XIII International Congress on Electron Microscopy ICEM 13-Paris. July 1994.
-
XVI Российская конференция по электронной микроскопии. Черноголовка. Ноябрь-Декабрь 1996.
-
X Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Черноголовка. Июнь 1997.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (136 наименований). Объем диссертации составляет 142 страницы в том числе 43 рисунка.
