Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

5. Методом сумісної ФТА та ФЕ мікроскопії досліджено пластину кремнію з областями епітаксійного нарощування. Встановлено, що візуалізація тепловими хвилями областей епітаксії у пластині кремнію обумовлена пружними наругами, що виникають в умовах технологічного циклу їх виготовлення. Цей висновок є основою запропонованого методу неруйнівного контролю якості проведення технологічної операції нарощування шару епітаксії.

6. Експериментально досліджено природу формування інформативного сигналу у методі ФТА мікроскопії з реєстрацією теплових хвиль п'єзоперетворювачем. Встановлено, що при п'єзоелектричній реєстрації теплових хвиль можуть візуалізуватися і механічні неоднорідності (дефекти) і за межами дії "теплового зонду".

7. Теоретично та експериментально досліджено ФТА ефект у піроелектричних кераміках (ЦТС-19). Показано, що внесок піроелектричних властивостей у величину фототермоакустичного перетворення формально може бути пов'язаний зі зміною термопружного коефіцієнту.

8. Експериментально досліджено залежність амплітуди та фазового зсуву ФЕ сигналу в області епітаксії пластини кремнію при різних частотах модуляції інтенсивності лазерного випромінювання. Встановлено, що в деяких точках зразка на амплітудно-частотній залежності ФЕ сигналу спостерігається максимум. На основі співставлення модельних розрахунків з експериментальними результатами показано, що зменшення амплітуди ФЕ сигналу при низьких частотах модуляції світла, найбільш імовірно, зумовлено досягненням хвилями електронно-діркової плазми границі шар епітаксії - підкладка.

Список використаних джерел

фототермоакустичний тепловий напівпровідниковий кремній

Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем. - М.: Мир-1989. - 630с.

Modeling of photoreflectance i layred media. /Liu M., Suddendorf M.B., Somekh M.G., Sheard S.J. //Smicond.Sci.Technol. - 1993. - № 8. - P. 1639 - 1647. Two-layer model for photomodulated thermoreflectance of semiconductor wafers. / Christofides C., Diakonos F., Seas A., Mandelis A. and ath.// J.Appl. Phys. - 1996. - V. 80. -№ 3.- P. 1713-1725.

Burbelo R.M., Zhabitenko M.K. Photoacoustic effect in elastic stress' regions of solids. //Progress in Natural Science. - 1996. -V.6. - P. 720-723.

Акустическая эмиссия на различных стадиях разрушения монокристаллических диэлектриков. /Калитенко В.А., Кучеров И.Я., Перга В.М., Тхорик В.А. //ФТТ. - 1989. - T. 30, № 12. - C. 3677-3679.

Матаре Г. Электроника дефектов в полупроводниках. - М.: Мир, 1974. - 463 с.

Сабликов В.А., Сандомирокий В.Б. Теория фотоакустического эффекта в полупроводниках //ФТП. - 1983. - T.17, № 1. - C. 81-83.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Исследование кремниевых структур методом совмещенной фотоакустической и фотоэлектрической микроскопии /Бурбело Р.М., Гуляев А.Л., Кузьмич А.Г., Кучеров И.Я. //ЖТФ, 1996. Т. 66, в. 4. С. 121-127.

Burbelo R.M., Kucherov I.Ya., Kuzmich A.G. Photoacoustic subsurface defects inspection in semiconductor technology //Progress in Natural Science. -1996. -Supp. Vol.6. P. 528-530.

Волчанський О.В., Кузьмич А.Г., Кучеров І.Я. Фототермоакустичний ефект в піроелектриках //Вісник Київського університету. Серія фізико-математичні науки. 1999 р. Вип. 2. С. 441-445.

Бурбело Р.М., Кузьмич А.Г., Кучеров И.Я. Фототермоакустическая и фотоэлектрическая микроскопия кремния //ФТП -1999. - Т. 33, № 6. - С. 680-685.

Бурбело Р.М., Кузьмич А.Г., Кучеров І.Я. Природа візуалізації епітаксійних кремнієвих структур типу p-n -переходу тепловими хвилями //УФЖ -2000. -Т. 45, № 11. С.1378-1380.

Бурбело Р.М., Кузьмич А.Г., Кучеров І.Я. Суміщений фототермоакустичний та фотоелектричний мікроскоп для дослідження напівпровідників //Вісник Київського університету. Серія фізико-математичні науки. 2000 р. Вип. 2. С.465-469.

А.с. 1442906 СССР, МКИ G 01 N 29/06. Способ получения фотоакустических топограмм /Г.И.Булах, Р.-М.М.Бурбело, А.Г.Кузьмич, И.Я.Кучеров (СССР). - № 4137403/25-28; Заявлено 24.10.86; Опубл. 07.12.88, Бюл. № 45. - 2 с.

Особенности формирования фотоакустического сигнала при пьезоэлектрической регистрации /Вишневская Т.В., Гуляев А.Л., Кузьмич А.Г., Кучеров И.Я. //Матер. докл. Региональной конференции "Динамические задачи механики сплошной среды, теоретические и прикладные вопросы вибрационного просвечивания Земли". - Краснодар: Миннауки, высшей школы и техн. полит. РФ; КубГосун-т. - 1992. - С.26.

Photoacoustic estimation of low implanted doses in silicon /Bulach G.I., Burbelo R.M., Kucherov I.Ya., Kuzmich A.G. //Proc. of the 6th Conf. "Acoustoelectroniscs'93". Ed.: L.Spassov, A.Manov, I.Avramov. - Varna (Bulgaria), 1993. - P. 212-214.

Burbelo R.M., Kucherov I.Ya., Kuzmich A.G. Photoacoustic Microscopy of Epitaxial and Ion-Doped Layers in Semiconductors // Proc. "1995 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM". Ed.: M.Levy, S.C.Schneider, B.R.McAvoy - Seattle, Washington, - 1995. - P. 829-832.

Photoacoustic study of Elastically Stressed State in Semiconductor Structures /Burbelo R.M., Zhabitenko M.K., Kucherov I.Ya., Kuzmich A.G., Selischev P.O.// Proc. European Conf. on Applications of Interface Analysis "ECASIA 97". - Goteborg (Sweden), Ed.: I.Olefjord, L.Nyborg, D.Briggs. John Wiley & Sons - 1997. - P.491-494.

Burbelo R.M., Kuzmich A.G., Kucherov I.Ya. Photothermoacoustic and photoelectric microscopy of silicon // Proc. Tenth Intern. Conf. "Photoacoustic and Phototermal Phenomena". - Rome (Italy), Ed.: F.Scudieri, M.Bertolotti. Amer.Ins.Phys., AIP Conference Pros.463, Woodbury, New York-1998. - P. 176-178.

Исследование кремниевых структур методом фотоакустической микроскопии /Булах Г.И., Бурбело Р.М., Гуляев А.Л., Кузьмич А.Г., Кучеров И.Я., Утробин Ю.Б. //Тез. докл. ХV Всесоюзн. конф. "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела". - Ленинград: АН СССР, ЛИАП. - 1991. - Ч.II. - С.79.

Burbelo R.M., Kucherov I.Ya., Kuzmich A.G. Photoacoustic Microscopy of p-n regions in Si plates // Abstr. 11th Intern. Conf. On Photoacoustic and Photothermal Phenomena. - Kyoto (Japan), - 2000. - P.02-12.

АНОТАЦІЯ

Кузьмич А. Г. Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю - фізика твердого тіла - 01.04.07. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ,2001.

В дисертацій роботі, створеним комп'ютеризованим сумісним фототермоакустичним (ФТА) та фотоелектричним (ФЕ) мікроскопом, принцип дії якого базується на використанні одночасно збуджених теплових хвиль та хвиль нерівноважних електронно-діркових пар, як носіїв інформації про властивості напівпровідників, досліджено напівпровідникові структури кремнію: епітаксійні з різним типом провідності, імплантовані іонами бору та фосфору, а також пружно напружену область поблизу вершини тріщини в пластині кремнію. Отримані ФТА та ФЕ топограми. Візуалізовані підповерхневі неоднорідності, що пов'язані як з умовами виготовлення пластин підкладок так і з технологічними операціями легування.

Виконано порівняльні експериментальні дослідження пластин кремнію, що імплантовані іонами методом ФТА мікроскопії та методом виміру зміни коефіцієнта відбиття напівпровідників під дією модульованого лазерного опромінювання.

Проведено порівняльний аналіз ФТА і ФЕ зображень вказаних структур на основі якого 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; експериментально встановлена наявність просторової періодичності у розподілі механічних властивостей в околі вершини технологічної тріщини у р - кремнії з періодом 85 мкм; експериментально встановлено, що залежність величини ФТА 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 .

Ключові слова: кремній, фототермоакустика, фотоелектрика, мікроскопія, теплові хвилі, фото- е.р.с., напівпровідник, епітаксія, іонна - імплантація.

АННОТАЦИЯ

Кузьмич А. Г. Фототермоакустическая та фотоэлектрическая микроскопия полупроводниковых структур на основе кремния. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности - физика твердого тела - 01.04.07. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2001р.

В диссертации методом совмещенной фототермоакустической (ФТА) и фотоэлектрической (ФЕ) микроскопии исследованы полупроводниковые структуры кремния с разным типом проводимости: эпитаксиальные, имплантированые ионами бора и фосфора, а также упруго напряженная область у вершины трещины в пластине кремния. В ФТА - ФЕ микроскопе, в одном устройстве совмещено два метода диагностики полупроводников, использующих в качестве носителя информации о полупроводниках одновременно возбуждаемые тепловые волны и волны неравновесных электронов и дырок. Получены ФТА и ФЕ изображения перечисленных структур. Показана возможность визуализации целого ряда подповерхностных неоднородностей в таких структурах, связанных как с условиями подготовки кристалла - подложки так и с проведением технологических операций легирования.

Выполнены сравнительные экспериментальные исследования имплантированных ионами пластин кремния методом ФТА микроскопии и методом изменения коэффициента отражения полупроводников под действием модулированного лазерного облучения.

Проведен сравнительный анализ полуученых результатов, на основе которого установлено, что визуализация тепловыми волнами областей эпитаксиального наращивания и имплантации ионов в структурах кремния обусловлена упругими напряжениями, возникающими в условиях технологического цикла их изготовления; экспериментально установлено наличие пространственной периодичности в распределении механических свойств у вершины технологической трещины в р - кремнии с периодом 85 мкм; экспериментально установлена линейная зависимость величины ФТА сигнала от логарифма концентрации ионов бора и фосфора, имплантированных в пластину кремния, при концентрациях ионов 1,810¹¹ 610¹³ ион/см² .

Ключевые слова: фототермоакустика, фотоэлектрика, микроскопия, тепловые волны, фото - э.д.с., полупроводник, эпитаксия, ионная - имплантация.

SUMMARY

Kuzmich A.G. Photothermoacoustic and photoelectric microscopy of silicon structures. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of physical and mathematical sciences, speciality 01.04.07 - Solid state physics. Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2001.

The dissertation work deals with a research in silicon-based structure by compliance photothermoacoustic and photoelectric microscopy. The principles, which have been put into the elaboration of computer-aided combined photothermoacoustic and photoelectric microscope for diagnostics of semiconductors, are presented. It serves a base for compliance of two techniques in single unit by using simultaneously carrier heat waves and electron hole plasma waves as an information.

Si-based structures - n-type of epitaxial build-up inside a p-type substrate, interface obtained by the boron and phosphor implantation, and a near-top crack region - have been studied by means of combined photothermoacoustic and photoelectric microscopy.

Conclusion is made that the most probable cause of the thermal-wave visualization of epitaxial regions is elastic stresses arising in these regions during their making. It is shown that spatial distribution of the elastic stresses arisen during the ion-beam implantation is visualized as a sequence of the thermal waves traveling. In the near-top region of crack the inhomogeneities of thermoelastic and electrical properties, which extend to some hundreds of microns, may be detected by thermal waves and electron-hole plasma waves as well. A spatial periodicity of the thermoelastic properties of the near-top crack region is found; its period turned out to be about 85 m. The linear dependence of photothermoacoustic signal of logarithm for implanted boron and phosphor ions concentrations was found experimentally, for doses 1,810¹¹ 610¹³ cm^{- 2}.

Photothermoacoustic effect in pyroelectric was studied theoretically and experimentally. The influence of pyroelectric properties on generation of acoustical vibration under photothermoacoustic effect is equal to the change of thermoelastic coefficient. In such pyroelectric as ZPT-19 the influence of pyroelectric properties on the generation of acoustical vibration is very essential.

Thus, the accompllished investigations show that the compliance of photothermoacoustic and photoelectric techniques may provide additional information on semiconductor materials properties and to maintain the diagnostics of structures and defects of various origin.

Key words: photothermoacoustic, photoelectric, microscopy, silicon structures, waves of electron-hole plasma, heat waves, thermal diffusion length.

Размещено на Allbest.ru