Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

встановлено, що візуалізація тепловими хвилями областей епітаксійного нарощування та іонної імплантації в структурах на основі кремнію зумовлена залишковими пружними напругами, які виникають в умовах технологічного циклу їх виготовлення;

вперше експериментально встановлена наявність просторової періодичності у розподілі механічних властивостей в околі вершини технологічної тріщини у р - кремнію;

експериментально встановлено, що залежність величини фототермоакустичного сигналу від логарифма концентрації іонів бору та фосфору, що імплантовані у пластину кремнію, є лінійною при концентраціях іонів у межах 1,810¹¹ 610¹³ іон/см² .

Наукове та практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що її результати сприяють більш глибокому розумінню фізичної природи візуалізації областей радіаційних пошкоджень в напівпровідниках при імплантації іонів, а також епітаксійних областей та областей з залишковими пружними напругами у пластинах кремнію. Це створює перспективи для розвитку фізичних основ неруйнівних методів оцінки залишкових пружних напруг у локальних областях твердого тіла. Створений сумісний ФТА та ФЕ мікроскоп може бути використаний в мікроелектронній промисловості для неруйнівної діагностики якості при проведенні технологичних операцій.

Особистий внесок здобувача. Автор зробив експериментальні установки, які використовувались у роботі для досліджень; створив суміщений ФТА та ФЕ мікроскоп, написав програмне забезпечення для ЕОМ, що керує мікроскопом; розробив алгоритм обробки результатів вимірів, який дозволяє діставати обидва параметри сигналів, що реєструються (амплітуду і фазу), відповідно будувати зображення розподілу цих параметрів по площині зразка [6,7]. Всі матеріали, викладені у дисертації, опубліковані в роботах здобувача разом із співавторами. У всіх роботах здобувач безпосередньо брав участь в обговоренні та аналізі результатів досліджень, написанні та оформленні статей і матеріалів конференцій. У роботах [4-7,8,11,12,14] здобувач приймав участь у формулюванні мети та задач досліджень. Основні експериментальні результати, викладені у дисертації, отримані автором самостійно. Експериментальні результати, викладені у роботах [4-6,12,14], отримані автором самостійно. У роботах [1,2,8,11] автор з'ясував особливості виявлення деталей дефектної структури на ФТА зображеннях пластин кремнію, які пов'язані з використанням методу синхронного детектування, провів порівняльні оптичні дослідження епітаксійних структур. У роботі [3] автор дослідив внесок піроелектричних властивостей кераміки ЦТС-19 в ФТА сигнал, провів чисельні оцінки, теоретичні дослідження виконав під керівництвом проф. І.Я.Кучерова. У роботах [8-11] автор реалізував методику вимірів ФМТВ, отримав експериментальні результати за дослідженнями іонно-імплантованих та епітаксійних структур кремнію.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені, доповідалися і обговорювалися на наступних конференціях, симпозіумах та нарадах: XV Всесоюзній конференції "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела" (Ленінград, 1991); IV Регіональній конференції "Динамические задачи механики сплошной среды и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли": (Краснодар, 1992); VI Міжнародній конференції "Acoustoelectronics'93" (Bulgaria, 1993); Міжнародній конференції "1995 IEEE Ultrasonics Symposium" (USA, 1995); VII Європейській конференції "Application of Surface and Interface Analysis" (ECASIA'97, Sweden, 1997); X Міжнародній конференції "Photoacoustic and Photothermal Phenomena" (Italy, 1998); IX Міжнародній конференції "Photoacoustic and Photothermal Phenomena" (China, 1996); XI Міжнародній конференції "Photoacoustic and Photothermal Phenomena" (Japan, 2000).

В ході виконання роботи за темою дисертації опубліковано 13 наукових праць (у тому числі 6 статей у фахових журналах та 4 в матеріалах міжнародних наукових конференцій), отримано 1 авторське свідоцтво.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з змісту (2 стор.), переліку умовних скорочень та позначень (2 стор.), вступу (6 стор.), 3 розділів (135 стор.), основних результатів та висновків (2 стор.), списку цитованих літературних джерел (183 найменування на 20 стор.). Повний обсяг дисертації 168 сторінок, містить 48 рисунків, 3 таблиці.

2. Основний зміст роботи

У вступі сформульовано актуальність теми, стан проблеми, об'єкт та предмет досліджень. Сформульовано мету та задачі дослідження; висвітлено наукову новизну отриманих результатів, практичну значимість роботи. Подано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, особистий внесок здобувача, апробацію роботи.

У першому розділі наведено огляд літератури з ФТА ефекту у напівпровідниках та напівпровідникових структурах. Розглянути способи реєстрації ФТА перетворення. Відображено сучасний стан досліджень з ФТА мікроскопії. Виходячи з аналізу літератури обґрунтована актуальність теми, мета та задачі дослідження.

У другому розділі викладено методики проведення вимірів та обробки результатів. Наведена блок-схема базової ФТА установки, принципи покладені в конструкцію газомікрофонної та п'єзоелектричної комірок. Наведено блок-схему та принципи, які покладено у технічну реалізацію установки для безконтактних вимірів термопружних зміщень у зразку за допомогою інтерферометра при ФТА перетворенні, особливість якої у тому, що використовується один лазер, який є збуджуючим і вимірювальним. Також наведено блок-схему та принципи, які покладено у технічну реалізацію методів дослідження напівпровідників: фотомодуляції термовідбиття (ФМТВ - зміна коефіцієнта відбиття під дією модульованого лазерного опромінювання), дефлекції допоміжного променю. Проаналізовані джерела можливих похибок та методи їх усунення. Проведено порівняльний аналіз способів реєстрації ФТА перетворення, за яким обрано п'єзоелектричний спосіб реєстрації у ФТА мікроскопі.

Викладено принципи дії створеного суміщеного ФТА - ФЕ мікроскопу, що базується на використанні одночасно збуджених теплових хвиль та хвиль електронно-діркових пар, властивості яких подібні. Відмінною рисою хвиль нерівноважних носіїв заряду та теплових хвиль є кінцевий середній час життя електронів і дірок. Залежність ефективної довжини дифузійного зміщення нерівноважних носіїв заряду від частоти модуляції інтенсивності лазерного випромінювання у порівнянні із залежністю ефективної довжини теплової дифузії дещо інша: , , де D_th= /c - коефіцієнт теплової дифузії, D - коефіцієнт амбі-полярної дифузії нерівноважних носіїв заряду, , c, - густина, питома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності, щ - частота. За умови щ >>1, властивості хвиль нерівноважних носіїв заряду і теплових хвиль співпадають.

Наведено блок-схему створеного автоматизованого суміщеного ФТА-ФЕ мікроскопу та ФТА комірок. Промінь аргонового лазеру (л = 0,488 мкм) модулюється електрооптичним модулятором. Модульоване за інтенсивністю випромінювання за допомогою оптичної схеми фокусується на поверхні зразка у пляму діаметром не більш ніж 10 мкм. Зразок розмішується у ФТА комірці, яка ретельно екранована. В установці передбачена можливість заміни п'єзоелектричної комірки на газомікрофонну. Електричний сигнал з п'єзоперетворювача через попередній підсилювач та комутатор подається на два ідентичних синхронних підсилювача. Зсув фази опорного сигналу в яких відрізняється на р/2. Така схема дозволила впровадити алгоритм обробки результатів при автоматизованих вимірах, за яким можливо діставати амплітуду ФТА сигналу U₀ (x, y) та його фазовий зсув (x, y) (у межах (-,] або (-2,0]) для кожній точці виміру з координатами (x, y) у площині зразка.

Над зразком розміщується металевий електрод у вигляді шайби діаметром ~1 мм з отвором у центрі для лазерного променя. Електрод є конденсаторним датчиком поверхневої фото-е. р. с., сигнал якої через попередній підсилювач та комутатор подається у той же самий вимірювальний тракт, що і сигнал з п'єзоперетворювача, і обробляється так само. Сканування лазерного променя по зразку виконується шляхом переміщення зразка разом з п'єзоперетворювачем автоматом контролю мікросхем "Зонд-1А". Автомат "Зонд-1А" за допомогою спеціально розробленої схеми з'єднано з ЕОМ, яка керує його переміщенням та обробляє результати вимірів. Запропоновано та впроваджено спосіб підвищення точності вимірів, що базується на усуненні похибок пов'язаних з нестабільністю лазерного випромінювання та параметрів п'єзоперетворювача шляхом порівняння вимірів у кожній точці області сканування зразка з вимірами у "еталонній" точці зразка. Відповідно можливо будувати розподіл амплітуди та фазового зсуву ФТА та ФЕ сигналів в залежності від координат у площині зразка.

У третьому розділі наведено експериментальні дослідження з ФТА ефекту та ФТА мікроскопії.

У першому підрозділі розглядається ФТА ефект в піроелектрику. В ФТА мікроскопі для реєстрації пружних зміщень у зразку застосовувався п'єзодатчик з п'єзокераміки ЦТС-19 яка є піроелектриком. Оскільки теплова хвиля може досягати п'єзоперетворювача, то досліджено ФТА ефект в піроелектриках.

Теоретично розглядається ФТА ефект у кристалах класу C_6V. Матриці матеріальних констант п'єзокераміки співпадають з відповідними матрицями цих кристалів. Полярна вісь кристала співпадає з віссю z. Поверхня кристалу z = 0 рівномірно опромінюється модульованим світлом. Теплова хвиля поширюється в напрямку осі z. Розв'язується система рівнянь руху теорії пружності та електродинаміки для піроелектричного кристалу. Розглядається два наближення: 1) лінійні розміри кристалу набагато більші за довжину акустичної хвилі (відносно високі частоти модуляції світла); 2) лінійні розміри кристалу набагато менші за довжину акустичної хвилі (відносно низька частота модуляції світла, квазістатичне наближення). Показано, що вплив піроефекту формально можна розглядати як зміну термопружного коефіцієнта г г_еф. Так для першого наближення г_еф = г - (2 e₃₁ e_{33 1} + e₃₃²₃)/₃₃ - p e₃₃/₃₃ , а для другого _еф = -(2 e₃₁² ₁ + e₃₁ e₃₃₃)/₃₃ - p e₃₁/₃₃, де: - відповідний термопружний коефіцієнт; б_i - коефіцієнт теплового розширення; e_ij - п'єзоелектричні сталі; ₃₃ , p- діелектрична і піроелектрична сталі, відповідно.

Вклад справжнього піроефекту у ФТА ефект - треті доданки у формулах, вклад вторинного піроефекту - другі. У п'єзоелектриках, які не піроектрикі, особливості ФТА ефекту, пов'язані з п'єзоелектричними властивостями, зумовлені лише вторинним піроефектом. П'єзоконстанти е₃₁ , е₃₃ і піроконстанта р можуть мати різні знаки, тому піроелектричні властивості можуть як збільшити так і зменшити амплітуду термопружних коливань, залежно від режиму зміщень, що встановлюються в системі "зразок - п'єзоперетворювач".

Проведено оцінки величини впливу піроелектричних властивостей п'єзокераміки ЦТС-19 , на термопружний коефіцієнт для першого наближення. Доданок, що пов'язаний з вкладом справжнього піроефекту на порядок величини більший за доданок, який пов'язаний з вкладом вторинного піроефекту, та одного порядку з величиною термопружного коефіцієнту. Отже піроелектричні властивості можуть суттєво впливати на амплітуду акустичних коливань при ФТА перетворенні.

Вплив піроелектричних властивостей на ФТА ефект еквівалентний зміні величіні термопружного коефіцієнту. Тому їх вплив проявіться тільки в тих методах реєстрації ФТА сигналу, яки визначаються термопружним коефіцієнтом. Один з таких є метод п'єзодатчика. При газомікрофонному методі реєстрації ФТА сигналу вплив піроелектричних властивостей не повинен проявлятися.

Проведено експериментальні дослідження ФТА ефекту у поляризованих і деполяризованих п'єзокераміках ЦТС-19 та ТБК-3. ФТA сигнал реєструвався методами п'єзодатчика і газомікрофонним. Зразки мали форму прямокутних паралелепіпедів розмірами 431 мм³. Полярна вісь перпендикулярна поверхні зразка, що опромінювалась модульованим світлом. При п'єзоелектричній реєстрації ФТА сигналу зразок наклеювався на п'єзодатчик (ЦТС-19). Показано, що при реєстрації ФТА сигналу методом п'єзодатчика деполяризація зразка призводила до збільшення амплітуди термопружних коливань (приблизно: ЦТС-19 в 3 рази, ТБК-3 в 1,5). При газомікрофонній реєстрації ФТА сигналу у поляризованих і деполяризованих зразках ЦТС-19 та ТБК-3 суттєвих змін амплітуди не виявлено. Проведені дослідження показали, що піроелектричні властивості вносять суттєвий вклад в величину ФТА сигналу. Тому при дослідженнях речовин методом ФТА мікроскопії, з реєстрацією теплових хвиль у зразку методом п'єзодатчика, частоти модуляції лазерного випромінювання та товщина зразка вибиралися з умови, що теплова хвиля не досягає п'єзоперетворювача.

Другий підрозділ присвячений експериментальному вивченню особливостей формування параметрів ФТА сигналу у зразках з неоднорідностями. Аналіз результатів досліджень з ФТА мікроскопії по діагностиці підповерхневих неоднорідностей, які виконані рядом авторів показав, що в багатьох випадках зображення отримані різними способами реєстрації сигналу відрізняються між собою. В роботі застосовувався для реєстрації теплових хвиль у зразку метод п'єзодатчика. Тому з'ясовувались особливості формування амплітуди і фазового зсуву ФТА сигналу у зразках з неоднорідностями.

Досліджені зразки з штучно введеними неоднорідностями виготовлені з алюмінію (глибина залягання неоднорідності 410 мкм). Дослідження проводились методом ФТА мікроскопії з реєстрацією за допомогою газомікрофонної комірки та п'єзоперетворювача. Сфокусованим модульованим за інтенсивністю променем лазеру (діаметр 10 мкм) сканувалась поверхня зразка. Досліди проводились на різних частотах модуляції f_m , які вибирались за умов, що довжина теплової дифузії у зразку: 1) значно більша за глибину залягання неоднорідності (f_m= 3550 Гц, 910730 мкм); 2) значно менша за глибину залягання неоднорідності (f_m= 1950 Гц, 140 мкм). Показано, що за зміною амплітуди та фазового зсуву ФТА сигналу при газомікрофонній реєстрації місце знаходження неоднорідності визначається тільки тоді коли довжина теплової дифузії у зразку більша за глибину залягання неоднорідності. За зміною амплітуди та фазового зсуву ФТА сигналу при реєстрації методом п'єзодатчика місце знаходження неоднорідності визначається в обох випадках. Таким чином показано, що при п'єзоелектричній реєстрації теплових хвиль можуть візуалізуватися механічні неоднорідності і за межами дії "теплового зонду".

Третій підрозділ присвячений експериментальним дослідженням імплантованих іонами бору та фосфору пластин кремнію методом ФМТВ.

Досліджені іонно-імплантовані структури кремнію, які зазвичай використовуються в реальних технологічних процесах. А саме: пластина p-Si (КДБ-20, N_a 710¹⁴ ат/см³, імплантована іонами P⁺ з енергією 100 кеВ, дози 0,05; 0,2; 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; мкКл/см²); пластини n-Si (КЕФ-7.5, N_d 510¹⁴ ат/см³, імплантовані іонами P⁺ з енергією 100 кеВ, дози 0,1; 0,12; 0,14 мкКл/см²); пластини p-Si (КДБ-40, N_a 510¹⁴ ат/см³, імплантовані іонами B⁺ з енергією 40 кеВ, дози 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05 мкКл/см²). Для всіх досліджених зразків (різний тип провідності підкладки та введених іонів) амплітуда сигналу ФМТВ зростає з збільшенням концентрації введеної домішки. Закономірність приблизно лінійна від логарифма концентрації введених іонів. Для зразків КДБ-40 з дозами введених іонів В⁺ 0,01; 0,02; мкКл/см² амплітуда сигналу ФМТВ розрізняється незначно.

Зміна амплітуди сигналу ФМТВ при ведені іонів є зміна коефіцієнта оптичного відбиття, яка зумовлена зміною електричних параметрів (рухливості, коефіцієнта амбіполярної дифузії нерівноважних носіїв заряду) у імплантованих шарах. Проведено оцінки зміни рухливості (коефіцієнта амбіполярної дифузії) нерівноважних носіїв заряду для цих зразків кремнію залежно від концентрації введених іонів користуючись розрахунками в [1]. Згідно цих оцінок при легуванні зразка коефіцієнт амбіполярної дифузії зменшується. Така зміна коефіцієнта амбіполярної дифузії нерівноважних носіїв заряду, відповідно до розрахунків, що наведені в [2], повинна привести до збільшення амплітуди сигналу ФМТВ. Зміна коефіцієнта теплової дифузії у імплантованих шарах згідно розрахунків у [2] повинна призводить до зменшення амплітуди сигналу ФМТВ. Це дозволяє зробити висновок, що збільшення амплітуди сигналу ФМТВ у зразках Si імплантованих іонами, при збільшенні концентрації введених іонів, яке спостерігається експериментально, пов'язано з зміною (зменшенням) коефіцієнта амбіполярної дифузії (рухливості) нерівноважних носіїв заряду, а не з зміною теплових параметрів.

Проведено порівняння результатів досліджень іонно-імплантованих структур Si виконаних методом ФМТВ з результатами, що отримані методом ФТА мікроскопії (п'єзореєстрація). Встановлено, що відносна зміна ФТА сигналу для зразка КДБ-20, як і амплітуди сигналу ФМТВ, практично лінійно залежить від логарифму концентрації імплантованих іонів. Для зразків КДБ-40 з концентраціями введених іонів 0,05 0,03 мкКл/см² за вимірами параметрів ФТА сигналу можна чітко встановити межу "неімплантована - імплантована" область. Для зразків з рівнями легування 0,01-0,02 мкКл/см², параметри ФТА сигналу на межі "неімплантована - імплантована" змінюються незначно, що спостерігалось і при дослідженнях цих зразків методом ФМТВ. В цілому з отриманих результатів видно, що і по зміні параметрів ФТА сигналу (п'єзореєстрація), як по зміні амплітуди сигналу ФМТВ, можна оцінювати приповерхневу концентрацію введених іонів.

Отримані результати свідчать, що залежності зміни ФТА сигналу і сигналу ФМТВ схожі. Це дозволяє припустити, що зміна параметрів ФТА сигналу при п'єзоелектричній реєстрації в іонно-імплантованих областях кремнію не пов'язана з зміною теплових параметрів зразка.

Підрозділ четвертий присвячений експериментальним дослідженням епітаксійних структур кремнію методом ФТА та ФЕ мікроскопії, з метою з'ясувати природу візуалізації областей епітаксії.

Для з'ясування впливу типу провідності напівпровідника на параметри ФТА сигналу, були проведені експериментальні дослідження структури кремнію з областю епітаксії n- типу на p- підкладці методом суміщеної ФТА - ФЕ мікроскопії. Отримані ФТА (PA) та ФЕ (PE) амплітудні (ampl.) і фазові (phase) топограми зразка p-Si з шаром епітаксійного нарощування n-Si (рис.1, схема структури на вставці). На топограмах світліше поле відповідає більшій величині відповідного параметра сигналу.

З наведеного на рис.1 видно, що ФТА і ФЕ топограми по різному, але досить чітко передають наявні неоднорідності дослідженої структури. Електричні неоднорідності (межу між областю з епітаксією n- типу провідності та підкладкою p- типу провідності) ФЕ топограми передають більш контрастно, ніж ФТА. Неоднорідності у вигляді плям та ліній краще передаються ФТА топограмами. Лінійні неоднорідності можливо є зображенням заполірованих дефектів (подряпин, мікротріщин), що виникли на стадії кінцевої хіміко-механічній обробки кремнієвої структури. При дослідженнях оптичним мікроскопом (збільшення 300, режим "темного поля") спостерігається лише зображення поверхневої подряпини (П) та дефекту типу "вилущення" поверхневого шару (В). Розміри "вилущення" (В) на ФТА та ФЕ зображеннях приблизно в 4 рази більші за такі, що спостерігаються у оптичний мікроскоп. Плями на ФТА зображеннях в області епітаксійного нарощування відповідають місцям знаходження поверхневих дефектів - "мікровилущувань", які при оптичному спостереженні мають розмір приблизно 1010 мкм². Розмір цих дефектів на ФТА зображеннях значно більший, приблизно 4070 мкм². Це може бути пов'язане з візуалізацією полів внутрішніх напруг біля мікровилущувань. Розмір полів внутрішніх напруг зазвичай значно перевищує розмір мікровилущувань при оптичному спостереженні.

За зміною амплітуди та фазового зсуву ФЕ сигналу вздовж одного рядка (рис.1. LS-LS') чітко виявляється межа між n- епітаксійною областю та р- підкладкою завдяки різному типу провідності. За зміною амплітуди та фази ФТА перетворення вздовж одного рядка межу однозначно з'ясувати неможливо. В області епітаксії спостерігається деяке підвищення амплітуди та зменшення фази ФТА сигналу. Відносна зміна параметрів ФТА сигналу від різного роду інших порушень кристалічної структури досить значна. Межу області епітаксії за зміною параметрів ФТА перетворення можна визначити тільки аналізуючи ФТА топограму в цілому. Параметри ФТА сигналу менш чутливі до зміни провідності напівпровідникового матеріалу.

В цілому: неоднорідності різної природи в кремнії ФТА і ФЕ топограми передають по-різному; межу між областю з епітаксією n- типу провідності та підкладкою p- типу провідності ФЕ топограми передають більш чітко, ніж ФТА; подряпини, "вилущення" і порушення механічних властивостей поблизу тріщин, навпаки, більш повно передають ФТА зображення.

ФТА сигнал визначається термопружними параметрами матеріалу (коефіцієнтом теплового розширення, пружними сталими), які мало змінюються при зміні електричних параметрів напівпровідника. Отже, варіації амплітуди і зсуву фази ФТА сигналу, в основному, визначаються зміною термопружних властивостей у зразку.

Зміни амплітуди і зсуву фази ФЕ сигналу переважно визначаються варіаціями параметрів електронного переносу напівпровідників (концентрацією, рухливістю та часом життя нерівноважних носіїв, поверхневим вигином зон та ін.). Ці параметри зазнають помітного впливу при порушеннях суцільності та зміни пружних властивостей матеріалу. Саме це створює умови для візуалізації також механічних та пружних не однорідностей хвилями нерівноважних носіїв заряду.

Підрозділ п'ятий присвячений експериментальним дослідженням іонно-імплантовних структур кремнію методом ФТА та ФЕ мікроскопії.

Досліджено пластини p-Si імплантовані іонами P⁺ - КДБ-20 та B⁺ - КДБ-40. На отриманих ФТА зображеннях для обох зразків амплітуда ФТА сигналу більша, а фаза - менша в областях імплантованих іонами, ніж в неімплантованних. На отриманих ФЕ зображеннях зразка КДБ-40 спостерігається топологічний контраст областей, в які були введені іони домішки. Амплітуда ФЕ сигналу в неімплантованій області зразка більша, ніж в імплантованій, фаза ФЕ сигналу в неімплантованій області зразка менша, ніж в імплантованій. Амплітуда та фазовий зсув ФЕ сигналу на межі поділу мають мінімум.

Амплітуда і зсув фази ФЕ сигналу для зразка КДБ-40 при переході з p- області (нелегованої) до p⁺- області (легованої) змінюються якісно подібно, що до змін амплітуди і зсуву фази ФЕ сигналу у зразку з епітаксійним шаром при переході з області n-типу до області p- типу провідності. Характер змін амплітуди і фази ФТА сигналу при переході з області p- типу до області p⁺- типу у зразку КДБ-40 якісно подібний, що до змін амплітуди і зсуву фази ФТА сигналу у зразку з епітаксійним шаром при переході з області p- типу до області n- типу провідності. З вище викладеного випливає, що візуалізація тепловими хвилями іонно-легованих структур та межі епітаксії p-n- структури не пов'язана із зміною електричних властивостей у зразку як таких.

Зміна параметрів ФТА сигналу при п'єзоелектричній реєстрації може бути обумовлена зміною теплових і пружних властивостей зразка. Зміна теплових параметрів в тонкому імплантованому шарі зразка (близько 0,3 мкм), у відповідності з викладеним в п.3.3 не повинна суттєво впливати на ФТА сигнал. В процесі імплантації іонів в приповерхневому шарі Si виникають пружні напруги. ФТА сигнал чутливий до наявності пружних напруг у твердому тілі. Причому його відносна амплітуда залежить від знаку напруг (стиснення або розтяг) стосовно напрямку термопружних деформацій, що формують ФТА сигнал [3]. Скоріш за все межа поділу неімплантована - імплантована область візуалізується ФТА методом завдяки виникненню напруг у приповерхневому шарі Si при імплантації іонів.

Для зняття внутрішніх напруг які виникли при імплантації іонів зразки були відпалені при температурі 850С протягом 30 хв. Після відпалу різниця між величинами амплітуд ФТА сигналу в імплантованій та неімплантованій областях практично зникає. Хвилями електронно-діркової плазми межа нелегована-легована область в іонно-імплантованих пластинах до відпалу та після відпалу кремнію візуалізується по різному. До відпалу амплітуда та фаза ФЕ сигналу на межі "нелегована - легована" область змінювались стрибком, після відпалу - набули плавного виду, що зумовлено відпалом центрів рекомбінації нерівноважних носіїв у напівпровіднику. За зміною ФТА сигналу оцінено напруги, які виникають в приповерхневому шарі при імплантації іонів у Si, отримано значення 10⁹ Па, що за порядком величини співпадає з наведеними у літературі.

Таким чином, збільшення амплітуди ФТА сигналу в імплантованої області зумовлено виникненням напруг у приповерхневому шарі іонно-імплантованої структури Si в процесі введення домішки. Методом ФТА мікроскопії можна діагностувати напруги, які виникають при імплантації іонів у напівпровідник.

Підрозділ шостий присвячений ФТА та ФЕ мікроскопії напруженого стану поблизу вершини тріщини в пластині кремнію p- типу провідності (питомий опір 610³ Ом·см, N_a 10¹³ ат/см^-3), що виникла на стадії її первинної обробки і є подовженням крайової дислокації .

Отримані ФТА і ФЕ топограми зразка з тріщиною. На топограмах тріщина має розмиті границі, за довжиною вона істотно більша, ніж при оптичному спостереженні (оптична межа візуалізації тріщини визначалася за допомогою мікроскопу із збільшенням 300, рис.2 О - О'). На ФТА (рис.2 PA ampl., PA phase) топограмах протяжність зображення тріщини на 0,4мм, а на ФЕ топограмах на 0,56 мм більше оптичного.

Утворенню тріщини в кристалі передує збільшення концентрації дислокацій. Розгалужена дислокаційна структура і поля напружень поблизу вершини тріщини впливають на термопружні і електричні параметри напівпровідника. Внаслідок цього на ФТА і ФЕ топограмах зображення тріщини істотно більші, ніж при дослідженнях за допомогою оптичного мікроскопу. В околі вершини тріщини у пластині кремнію видна просторова періодичності довжиною 85 мкм у розподілі параметрів ФТА сигналу (рис.2 вставка В). Найбільш чітко це спостерігається на фазовій ФТА топограмі. Це імовірно, пов'язано з тим, що процес розвитку тріщини починається із зародження неоднорідностей фізичних властивостей кристалу, насамперед пружних, і носить просторово періодичний характер.

Цим, імовірно, можна пояснити стрибкоподібний характер розвитку тріщин, що спостерігався експериментально в роботі [4]. Таким чином за допомогою теплових хвиль та хвиль нерівноважних носіїв заряду можуть спостерігатись області напруженого стану кристалу, що з'являються в матеріалі перед його руйнуванням.

На графіках амплітуди та фазового зсуву ФТА сигналу вдовж строки (рис.2 LS-LS`) в місці розташування тріщини спостерігаються збільшення амплітуди та стрибкоподібна зміна фазового зсуву. Таку поведінку параметрів ФТА сигналу можна поясніти тим, що поля напруг які зумовлені крайовими дислокаціями не мають радіальної симетрі: по одну сторону є напруги стиснення, по другу - розтягу. Амплітуда ФТА сигналу пропорційна модулю пружних напруг. Фазовий зсув ФТА сигналу відповідає за знак. Стрибкоподібна зміна фазового зсуву, що наведена на графіку, скоріш за все відповідає не симетрії полів напруг біля вершини тріщини. Якщо виходячи з цього проаналізувати ФТА топограму зсуву фази зразка з шаром n- епітаксії, то в місцях знаходження "мікровилущувань" поверхні (рис.1, темні плями на PA phase топограмі) поля напруг одного знаку.

В області існування пружних напруг у вершини тріщини спостерігається значний перепад параметрів ФЕ сигналу (амплітуда ФЕ сигналу збільшилась, фаза зменшилась). Аналогічно змінюються амплітуда і фазовий зсув ФЕ сигналу при переході з області n-типу провідності до p-типу провідності у структурі Si з шаром епітаксії (з області з меншою концентрацією носіїв діркового типу до області з більшою, рис. 1). Перепад параметрів ФЕ сигналу в області існування пружних напруг, скоріш за все, пов'язаний з існуванням області просторового заряду біля дислокацій. В Si вплив полів залишкових напруг на розподіл домішки біля дислокацій може бути різним в різних випадках [5]. З наших вимірів виходить, що біля вершини тріщини існує область із зниженою концентрацією дірок. Розмір області просторового заряду яка спостерігається на ФЕ топограмі 100 мкм, що співпадає з результатами наведеними, у літературі для слабо легованих кристалів Si [5].

Таким чином: ФТА мікроскопічні виміри дозволили спостерігати пружно-напружену область в кремнії, біля вершини тріщини; пружно-напружена область, що знаходиться поблизу вершини тріщини в кремнії, має просторово періодичну структуру, яка, мабуть, є причиною стрибкоподібного розвитку тріщини; у пружно-напруженій області, що знаходиться поблизу вершини тріщини в p- кремнії, виникає область просторового заряду із зниженою концентрацією дірок, яка візуалізується методом ФЕ мікроскопії.

У підрозділі сьомому розглядається природа візуалізації "тепловими хвилями" областей епітаксії n- типа на p- підкладці в структурах кремнію. Оскільки теплові параметри напівпровідника слабо залежать від типу провідності та концентрації домішки.

Методом суміщеної ФТА та ФЕ мікроскопії досліджено ряд структур з епітаксійними областями n- типу на підкладці p- кремнію. Зразки виготовлені в умовах одного технологічного циклу (див. п.3.4). ФЕ топограми для всіх досліджених зразків чітко передають різницю між областями p- та n- типу провідності у структурах Si, а ФТА зображення - по-різному. Так на ФТА топограмах епітаксійної структури наведеної на рис.1 спостерігається контур межі області епітаксії n- типу провідності. На отриманих ФТА топограмах (амплітудних та фазових) інших зразків межа між областями p- та n- типу провідності не спостерігається зовсім. В основному на ФТА топограмах добре візуалізуються підповерхневі порушення механічних властивостей. На оптичних зображеннях цих зразків, видно лише окремі дефекти та спостерігається ерозійне пошкодження поверхні структури кремнію.

Параметри ФТА сигналу при п'єзоелектричній реєстрації визначаються тепловими та пружними властивостями зразка, на які електропровідність впливає незначно. В той же час параметри ФЕ сигналу визначаються електричними властивостями зразка, на які механічні властивості можуть впливати помітно [5]. Ця обставина призводить до того, що ФЕ методом p-n епітаксійна структура візуалізується чітко. Тепловими ж хвилями межа між областями з різним типом провідності у якісно виготовленій p-n епітаксійній структурі (відсутність порушень в теплових та пружних властивостях) не повинна візуалізуватись. Причиною візуалізації тепловими хвилями деяких зразків p-n епітаксійних структур слід вважати виникнення пружних напруг під час їх виготовлення. Тому сам факт ФТА візуалізації p-n епітаксійних структур свідчить про наявність пружних напруг в цих структурах.

Проведено оцінку величини усереднених напруг _о в окремих місцях p-n епітаксійної структури (рис.1), їх величина наближено дорівнює _о 10¹⁰ Па. Така величина залишкових напруг є межею міцності кристалу. Тому, в таких структурах з високою величиною залишкових напруг в тих чи інших місцях епітаксійних областей спостерігаються "мікровилущування" поверхні напівпровідникової пластини.

Отже, проведені дослідження p-n - епітаксійних структур кремнію методом фототермоакустичної мікроскопії дозволяють зробити висновок, що візуалізація таких структур тепловими хвилями пов'язана з наявністю пружних напруг, які можуть виникати під час їх виготовлення. Сам факт такої візуалізації свідчить про їх низьку якість, що дозволило запропонувати використовувати метод суміщеної ФТА - ФЕ мікроскопії для діагностики якості напівпровідникових структур з шаром епітаксії.

Підрозділ восьмий присвячений дослідженню епітаксійних структур кремнію ФЕ методом в при різних частотах модуляції світла, з метою з'ясування параметрів неоднорідностей (глибини залягання), що спостерігаються на ФТА та ФЕ топограмах цих структур (рис.1), за допомогою хвиль нерівноважних носіїв заряду. Ці неоднорідності можуть бути, як приповерхневими, так і пов'язаними з границею шар епітаксії - підкладка.

Модульованим за інтенсивністю лазерним променем сканувалася окремий рядок епітаксійної структури Si на різних частотах модуляції світла. На отриманих залежностях амплітуда ФЕ сигналу змінюється в залежності від координати. Це свідчить про наявність неоднорідностей у структурі. Характер зміни амплітуди ФЕ сигналу вздовж рядка майже не залежить від частоти модуляції.

Амплітудно-частотна залежність ФЕ сигналу має різний тип поведінки в різних точках епітаксійної області. В деяких точках амплітуда ФЕ сигналу монотонно зменшується при збільшенні частоти, а в інших - спочатку зростає, а потім зменшується (має максимум). В експерименті величина амплітуди ФЕ сигналу, в основному, визначається концентрацією нерівноважних носіїв заряду на поверхні напівпровідника, та поверхневим вигином зон. Модельні розрахунки концентрації нерівноважних носіїв заряду на поверхні напівпровідника, за наближенням напівнескінченного зразка [6] показують, що концентрація нерівноважних носіїв на поверхні напівпровідника монотонно спадає з збільшенням частоти модуляції.

Наявність максимуму на амплітудно-частотній залежності ФЕ сигналу якісно можна поясніти впливом границі шар епітаксії підкладка або наявністю підповерхневих дефектів у шарі епітаксії. При відносно високих частотах модуляції, при яких хвиля електронно-діркових пар не досягає цієї межи, амплітуда ФЕ сигналу монотонно зменшується з збільшенням частоти. При зменшенні частоти характерна довжина дифузії нерівноважних носіїв заряду зростає. При певному значенні частоти нерівноважні електронно-діркові пари досягають межи на якій відбувається додаткова рекомбінація. Це призводить до збільшення відтоку нерівноважних носіїв заряду від поверхні, що освітлюється, відповідно повинна зменшуватись амплітуда ФЕ сигналу.

Розглянуто модельне наближення за яким враховується існування на глибіні d від поверхні напівпровідника дефектного шару з іншою швидкістю рекомбінації s_d ніж на поверхні s₀. Поверхня напівпровідника z = 0 рівномірно опромінюється світлом з модульованою інтенсивністю Р₀. Енергія фотонів Е₀ більша за ширину забороненої зони напівпровідника. Рівень інжекції низький. Товщина зразка значно більша за ефективну довжину дифузії нерівноважних носіїв заряду . Поверхневий вигин зон незначний. Дефекти в напівпровіднику контролюють лише процес рекомбінації, всі нерівноважні носії заряду, які досягли дефектного шару, на ньому рекомбінують. Розв'язано рівняння неперервності з наявністю об'ємної генерації електронно-діркових пар разом з граничними умовами. Отримано вираз розподілу концентрації нерівноважних носіїв заряду р за глибиною z: де: , , , ,; - коефіцієнт оптичного поглинання; D- коефіцієнт амбіполярної дифузії; середній час життя нерівноважних носіїв заряду.

Проведені розрахунки концентрації нерівноважних носіїв на поверхні для різних значень глибини залягання дефектного шару d та швидкості рекомбінації на ньому s_d. За умови, що на амплітудно-частотній залежності спостерігається максимум. Положення максимуму залежить від глибини залягання дефектного шару та швидкості рекомбінації на ньому.

Співставлення модельних розрахунків з результатами експерименту свідчить, що наявність максимуму на амплітудно-частотній залежності ФЕ сигналу якісно можна поясніти досяганням хвилями нерівноважних носіїв заряду границі шар епітаксії підкладка. Оскільки характер зміни амплітуди ФЕ сигналу вздовж рядка майже однаковий для всіх частот модуляції, то це означає, що неоднорідності зосереджені біля поверхні, або на самій поверхні і не пов'язані з неоднорідностями на межі поділу епітаксійний шар - підкладка.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Створено комп'ютеризований сумісний фототермоакустичний (ФТА) та фотоелектричний (ФЕ) мікроскоп, принцип дії якого базується на використанні одночасно збуджених теплових хвиль та хвиль нерівноважних електронно-діркових пар, як носіїв інформації про властивості напівпровідників. Розроблено та впроваджено автоматизовану методику досліджень напівпровідників за допомогою цього мікроскопу, в якій інформативними параметрами використовуються амплітуда та фазовий зсув ФТА та ФЕ сигналів. Методика дозволяє відображати розподіл цих параметрів в залежності від координат у площині зразка у вигляді напівтонових топограм, псевдотривимірних зображень.

2. Методом сумісної ФТА та ФЕ мікроскопії досліджено напівпровідникові пластини кремнію, епітаксійні та іонно-імплантовані структури на його основі. Показано, що механічні неоднорідності (заполіровані подряпини, місця в околі вилущування поверхневого шару) краще візуалізуються тепловими хвилями, а електричні (типу p-n-, p-p⁺- переходів і т.п.) - хвилями нерівноважних електронно-діркових пар.

3. Методом сумісної ФТА та ФЕ мікроскопії досліджено властивості кремнію поблизу вершини технологічної тріщини. Виявлено що, пружно напружена область поблизу вершини тріщини візуалізуєтся обома типами хвиль. Вперше експериментально встановлено, що неоднорідності пружно напруженого стану в околі вершини технологічної тріщини в кремнії носять просторово періодичний характер з періодом 85мкм.

4. Методом сумісної ФТА та ФЕ мікроскопії і методом ФМТВ досліджено пластини кремнію імплантовані іонами бора та фосфору. Встановлено, що характер зміни параметрів ФТА сигналу в іонно-імплантованих областях пластин кремнію не залежить від типу введених іонів. З'ясовано, що візуалізація іонно-імплантованої області кремнію тепловими хвилями зумовлена пружними напругами яки виникають при введенні іонів. Встановлено закономірність, що залежність величини ФТА сигналу від логарифма концентрації іонів бору та фосфору, є лінійною при концентраціях введених іонів у межах 1,810¹¹ 610¹³ іон/см² .