Введение к работе
Актуальность темы. Современная технология создания приборов мик-> роэлектроники ставит перед исследователями ряд диагностических и матери-аловедческих проблем, связанных со значительным уменьшением вертикальных и горизонтальных размеров элементов интегральных схем (ИС). Возникает необходимость увеличения как числа измеряемых электрических параметров полупроводников, так и увеличения локальности и точности их определения. Поэтому на сегодняшний день разработка физических основ нераз-рушающих методов изучения и контроля полупроводниковых материалов и структур с субмикронным разрешением является весьма актуальной задачей.
К наиболее перспективным методам, удовлетворяющим этим требованиям, относятся элекгронно-зондовые методы. Важной особенностью растрового электронного микроскопа (РЭМ), обусловленной многообразием физических явлений, возникающих при взаимодействии пучка высокоэнергетических электронов с твердым телом, является возможность проведения комплексного анализа объектов, то есть измерения целого ряда геометрических, электрических, структурных параметров.
В настоящее время для исследования полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике, необходимо латеральное разрешение порядка нескольких мкм и лучше, а разрешение по глубине лучше, чем 0.1 мкм. Одна из основных проблем, возникающих при уменьшении размеров исследуемой области, - повышение дозы облучения. Так, при локальности 1 мкм и требуемой точности измерения 1%, минимальная доза облучения достигает значения 1012см2 и возрастает при уменьшении "квантового выхода" исполь-
зуемого метода. Увеличение точности измерения или локальности неизбежно приводит к увеличению требуемой дозы облучения, что в свою очередь приводит к изменению свойств исследуемого объекта. Таким образом, для того, чтобы диагностические методы были неразрушающими, необходимо учитывать возможность повреждения исследуемого объекта при выборе используемого метода.
Наиболее перспективными с точки зрения уменьшения радиационной нагрузки являются методы наведенной концентрации, в которых сигнал формируется от вторичных электрон-дырочных пар, генерируемых первичными высокоэнергетичными электронами.
Метод, наиболее широко используемый для исследования локальных электрических свойств полупроводников, - это метод наведенного тока (НТ). Он обладает одним из самых высоких среди методов РЭМ "квантовым выходом" (103-104), и, следовательно, его можно считать наименее повреждающим, хотя следует отметить, что он, по-видимому, требует самой большой точности измерения, что несколько увеличивает требуемую дозу. Высокая чувствительность метода позволяет надеяться на его использование и в аналитических целях. При этом примеси будут фиксироваться в электрически активном состоянии, что в ряде случаев не менее важно, чем определение их полной концентрации.
К той же группе методов можно отнести катодолюминисценцию (КЛ) и емкостные методы - сканирующую релаксационную спектроскопию глубоких уровней (СРСГУ) и наведенную емкость (НЕ). Эти методы дают более прямую информацию о природе электрической активности центров и их "квантовый
выход" сравним с соответствующими значениями для метода НТ (Ю'-Ю3 для КЛ и 10-2-10"' для СРСГУ и НЕ) и выше, чем у традиционных локальных аналитических методов оже-спектроскопии (ОС) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА). Таким образом, методы наведенной концентрации - менее разрушающие и, кроме того, в отличие от методов ОС и РСМА, они позволяют исследовать распределение центров с концентрацией до 10|0см-3 (чувствительность ОС и РСМА ~ 10"см-3). Однако их пространственное разрешение сравнимо с разрешением в методах ОС и РСМА и определяется размерами области генерации электрон-дырочных пар, что составляет для обычных энергий, используемых в РЭМ, несколько микрон. Поэтому наиболее актуальной задачей является разработка на основе методов наведенной концентрации новых методов с улучшенным пространственным разрешением.
Цель работы состояла в разработке комплекса количественных элект-ронно-зондовых методов с повышенным пространственным разрешением для исследования локальных электрических свойств полупроводников.
Основные задачи:
-
Исследование возможности количественного определения локальной концентрации центров захвата основных носителей заряда.
-
Анализ механизмов формирования сигнала в методе наведенной емкости и разработка модели, позволяющей количественную обработку результатов.
-
Исследование возможностей восстановления профилей диффузионной длины с разрешением по глубине в субмикронном диапазоне.
-
Разработка методов, позволяющих определять неравномерность легирования полупроводников с точностью не хуже 10% и локальностью порядка микрона.
Научная новизна
-
Предложен новый метод "аппаратной" томографии, позволяющий измерять электрические свойства полупроводников с разрешением лучше, чем размеры области генерации электрон-дырочных пар.
-
Предложена модель формирования сигнала в методе сканирующей спектроскопии глубоких уровней для центров захвата основных носителей заряда, количественно описывающая экспериментальные результаты.
-
Предложена модель формирования сигнала в методе наведенной емкости. В рамках этой модели показана возможность восстановления латерального распределения концентрации легирующей примеси.
-
Обнаружена зависимость электрической активности дислокаций в кремнии от пройденного ими пути.
Практическая ценность
Разработанный комплекс локальных электронно-зондовых методов позволяет контролировать качество эпитаксиальных слоев микронной и субмикронной толщины, концентрацию рекомбинационных центров в полупроводниковых пластинах на уровне 109-10,оспт3, неравномерность распределения легирующей примеси с точностью до 10% и локальностью в микронном диапазоне, восстанавливать профили распределения по глубине диффузионной длины неосновных носителей заряда и концентрации мелкой легирующей примеси. Результаты работы могут быть использованы при оптимизации и контроле технологических режимов выращивания и обработки полупроводниковых материалов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Пространственное разрешение в методе наведенного тока с модуляцией ОПЗ зависит от глубины модуляции и дебаевской длины в кристалле, а не от размеров области формирования сигнала, как в стандартном методе наведенного тока.
-
Использование модуляции ОПЗ позволяет получить явное выражение диффузионной длины как функции экспериментально определяемых величин.
-
Электрическая активность дислокаций в кремнии существенно зависит от пройденного ими пути, при этом наблюдаются не только количественные, но и качественные изменения спектра электронных состояний.
-
Условия, необходимые для реализации локальных измерений в методах наведенной емкости и сканирующей релаксационной спектроскопии глубоких уровней.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах, Всесоюзных и Международных конференциях, в том числе:
1-ой Всесоюзной конференции "Физические и физико-химические основы микроэлектроники" (г.Вильнюс 1987); VI, VII, VIII Всесоюзных симпозиумах по РЭМ и аналитическим методам исследования твердых тел (Звенигород 1989, 1991, Черноголовка 1993): XIV Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Суздаль 1990): III и IV международных конференциях "Defect Recognition in Semiconductors Before and After Processing" (DRIP) (Токио, Япония, 1989, Манчестер, Великобритания, 1991): II Европейской конференции "Electron and Optical Beam Testing of Integrated Circuits"
(Дуйсбург, Германия, 1989): V Международной конференции "Gettering and Defect Engineering in the Semiconductors Technology" (Франкфурт, Германия, 1993); I и II Международном семинаре "Beam Injection Assesment of Defects in Semiconductors" (Париж, Франция 1988, Лилль, Франция, 1991): Международной конференции "Scanning Microscopy" (Вашингтон, США, 1991): семинаре физического факультета университета г. Болонья, Италия, 1992.
Публикации. Материалы диссертационной работы отражены 14-ю публикациями в журналах и в материалах конференций.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения с выводами и содержит 12нстраниц текста, 74 рисунков, и список литературы из '26 наименований.
