Анализ параметров и дефектов монокристаллических полупроводников методами наведенного тока и катодолюминесценции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЕ РЕВОЛ? Г. И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТЗЖ-лй УК©2?СЙТЕ? га.Н.З.ЛОУОНОСОЗА

ФИЗКЧЕСКИЛ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

АЛЬ ¡ПАЕ? ВАЛЗД

УДК'621.385.633

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ II ДЕЗЕКТОВ ЫОНСКРКСТАЯШ'ГЧЕОаК П0ЛУПР030ДНЖС ОВ МЕТОДАМИ НАЕДЕННОГО ТОКА И КАТОД(ХШ.!ИНЕСЦЕНЦЖ5

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

Л В Т О Р 2 О Е ? А Т

диссертация на соискание ученой степени кандидата Сязяко-математических наук

Москва - 1592

- г -

Работа выполнена на кафедре физической электроники Физического факультета Московского государственного университета

юл .М,В.Ломоносова.

Каучнне руководители; доктор фига.-мат. наук, доцент В.И.Петров; кандидат £из.-мат. наук, ст. научн. сотр. А.Е.Лукьянов.

Официальные оппонента: доктор фаз.-мат. наук, профессор А.А.Патрик; кандидат ©яз.-мат. наук, ст. научн. сотр. М.Н.Фялштов.

Ведущая организация: Институт Общей Физики РАН.

Заодгс^ДЕссеруацки состоится 19921'.

в -"часов на заседания Специализированного совета Х2 от-

деления радиофизики физического факультета МГУ шифр К 053.05.22, со адресу: МоскваЛенинские гори, ¡¿ГУ, физический факультет, аудитория

Ш

С диссертацией мокно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан " оЗ " 1992г.

Отзывы на автореферат просим направлять по у азанному адресу на шя ученого секретаря Специализированного совете.

Зчонкй секретарь Специализированного совета ОРФ к.ф.-м.н., ст.преподаватель / '-^С—. ^ С.Ю.Галузо

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

" Актуальность теми. Исследование локалышх свойств монокристаллических полупроводников - одао из важных направлений современной физической электроники. Решение этой задачи только традиционными методами (зсвдовыми, оптическими и др.), как прентмо, ограничено их низким пространственным разбиением. Поэтому весьма актуальна разработка новых методов исследования твердых тел с большой информативностью и высоким пространственным разрешением.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) - один из наиболее локальных методов исследования твердых тэл. Ккогообразпы физические явления, которые используются для формирования изображения в РЭУ с высоким пространственным разрешением. Для изучения дефектов я измерения локальных параметров полупроводников часто используется jareo ток, индуцированный электронным зондом РЭМ (наведенный ток), либо катодолшкяесцентное излучение. Оба метода имвнамного общего, гак как информативный сигнал обусловлен процессами генерирования и рекомбинации электронно-дырочных пар или неравновесных носителей заряда (НТО). Однако наведенный ток (НТ) возникает при разделении генерированных электронно-дырочных пар электрическим полем (поле барьера Шохтки, р-п, перехода, кккродефектов и т.п.), а катодолшинестданция (КЛ) - при их излучательной рекомбинации. Процессы же генерации ННЗ г их диффузии одазшковы и их носбходамо знать для количественного описания обоих ренимсв, дополняющих друг друга при проведении практических исследований полупроводников.

Основнгя цель озбота - развита® количественных метод локального анализз полупроводниковых кэтерпалов ^гкрсэлектрскг к вменение ¡¡жфэркзкашых возможностей этих методов ■ пргтмзПЕт&лъ к Еирокому клоссу ajacrasffnscKzx нагупроводэйковах матерая (кремг.й, арсенпд ггдкя, теллурпд кад&гя, арсенйд индия).

?!аутайя новигкз - выявление физических гахономйрЕоот форггрованая сигнала Н? на кккродеОектах паяупрс!.однико£е извергала, кзучз:г.:з особенностей формирования сигнала ХЛ п ьсаведоведаж срямозсаннх пояупроводиаюз а резкая» '¿втох локального анализа конохристал.П'гчзсккх полупроводников.

1. Проведена расчета згЕисз.асти контраста ЙГ объгмных т рсдефехтов от энергии элзктронс?. пучка для сановного матерзг тпупроводняковог гсжроэлзктронг-ж — монохрзстаядоесзого кре ния. Рассмотрены воклсгности данного диагностики при шр деления характерных параметров кпсрсдефектов.

2. Ep;i проведении количественных расчетов предложено испол аовать унлверс&зькув функция «Съемного распределения знергетнче :г.сс потерь киловольтних электронов, полученную на основе у^е вклада процессов многократного к однократного рассеяния електр

, коз. Физически Солее обоснованно проведено построение функц генерации, а яолученнке с.ее использованием результаты примени практически для всех-материалов от углерода до золота.

- о. Проведены расчеты зависимости интенсивности монохромат ческой КЛ от энергии электронов пучка в условиях низкого к епс кого уровня возбуждения. .Рассмотрен случай, когда Еклады лкнейн к квадратичной рекомбинации сопоставимы. Использование прздлаг емой математической модели позволяет объяснить некоторые зкспер ментальные результаты, в физической интерпретации которых ран

ямеД2СЬ З^ТрУДНеНИЯ.

Практическая ценность работы заключается в ton» что развитее .veroда конгзолэ локзлькюс параметров колокрхстаяпязсккх полупроводников "огут быть использованы для дизгноссххя полупроводниковых материалов современной опто- z кжроэлехтрояккк.

Оскознке зздтааеукэ поло:!:ен;:я.

t. Сс:зическ:'Л мехгндем и информативные- всгиохкостк метода - дгзпюстлка кЕз^одефежтоз ыожкфксталлэтеского крзккия по 3£Biic:í.:oCTif контраста кккроде$ек?а в рзгжглз ЕГ ст энерпи-электроноз,. пучка..

2. Модель универсальной фуакцка объегаого. распределения: гнергекг-гвск;:х потерь каловолын^х электронов в твердом теле к оо 22^ср!/.эт7Л2к;е возможное?:: пр:-; прозэдент: количественных расчетов»

3. СйзхческхГ: механизм- ir. гафзрматкжые- возможности метода сцредолегшя здекгрофязячвсгах параметров прякозсншх полупровод. ежовых кчтэраалоз по 32b:ic;woct;í интенсивности монохроматической.

КЛ от. з::орг:п'. электронов пучка. •

Апробация.работа:, основные результата» кзлс:::енккэ з диссертационной работе,, докладывались i: обсуждались. ка ТО. Всесоюзном спыпозиуие по растровой, электронной. микроскопии и аналитическим метода:.:- нсслидованил- твердых тел. "РЗМ - S!" (г.2ве1П.город, 19S1Í.,),, а тенге, на- научных. се;сс:зргх кафедры фкзнчвасоа электроники Физического: фгкультета.'МГУ k;.í.M.3. Ломоносова.

Публикация. По материалам- диссертационной работы 'опубликовано. 6 печатных: работ: 4, стать:: и 2 тезисов доклэдоз.

Структура диссертации. Диссертация состсит из введения, трех глаз,. .зеводов,. приложения, с.-!ска литератур*:. Она солер:тет 157 страниц; текста.. 45 рисунков,. 2¿r$azmi. и, список- лятератури «а 17.

страницах, вюшчакдий 134 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика рассматривавши в диссертационной работе вопросов и приведен краткие, обзор содержания' работы по главам.

Первая глава посвяг.ена обзору Ьмелдегся в литературе данных по вопросам генерации, диффузии, рекомбинации ННЗ я результатам использования сигналов НТ и КЯ в РЭМ для исследования дефектов и измерения электрофизических параметров монокристаллцческих полупроводников. На основе анализа литературных дайннх формулируется задача диссертационной работы.

Вторая глава посьедана разшти» методов локального количественного анализа монокристалличвского кремния в режиме НГ РЗЫ.

В цервой части главы рассмотрены различные электрически активные дефекты монокристаллов, выращенных по методу Чохральско-го, и описан метод оценки размеров дефектов по осциллограммам НГ.

Во второй части главы обсуадаьтся вопросы расчета контраста изображений объемных дефектов в зависимости от энергии электронов пучка. Рассмотрены три различные математические модели. В первой из них проведен расчет для микродефектов, выходящих на поверхность. Бо второй м третьей моделях приведены расчеты рекомбдаа-щюнного контраста для микродефектов, расположенных в объема полупроводника (на выходящих на поверхность). Во второй модели не учитывается диффузия ШЗ в объеме полупроводника, в-то время .как дал третьей модели решается общее уравнение диффузии ННЗ для трехмерного случая.-

- ? -

Результата расчетов сопоставлены с результатами экспериментальных исследований мжкродефектов различных типов (паровых, цилиндрических, игольчатых)..Из сопоставления расчетов и экспериментов (в третьей часта главы) определены некоторые параметры «икродефектов: ах раздери, глубина залегания, диффузионная длина внутрх дефекта. Денные злектроздодакроскопичесгаж исследований • сопоставлены с результатами, полученными с использованием малоуглового "ассеянкя света. Показано, что они хорошо керрэлйруат.

Третья глава посвягена развитии методов количественного катодолшияеецетного анализа пря/юзонных голупроводагиков.

В первой части главы описана автоматизированная установка на базе РЗМ для локального анализа КЛ полупроводников в спектральном диапазоне до 6 мкм.

: Во второй части глава описан способ построения универсальной Функции генерации. Зта функция позволяет проводить количественные расчеты потерь энергии килозольтными электронами в твердом теле практически для всэх материалов.

На основе предложенного соогноиенкя в третье® части глеви проводятся расчеты зависимости интенс-вности монохроматической КЛ от энергии- электронов пучка для случаев: линейной рекомбкнацш,

квадратичной рекомбинации, а также при одновременном наличии как

• *

линейной» так и квадратичной рекомбинации. Из сопоставления расчетов и результатов эксперимента, изложенного в четвертой части главы, определены некоторые.электрофизические параметры исследованных' полупроводниковых материалов (СаАа, СйТе, 1пАз, СаАэР): диффузионная длина и приведенная скорость, поверхностной рекомбинации ННЗ; толщина 'приповерхностной области, обедненной > основными носителями заряда; спектральная зависимость коэфцшен-

та поглощения. Яанные алектрожслякрогсчояическкх ксрледозакй сопоставлена с результатами, гшучзншая/с использована других, методоз. Он* достаточно хорошо коррелируют,.

В прялолмнхя описаны методы расчета рекокбкнацкокного контраста для сарозкх к 1дцш5дскческих кжродефектоз г^ц различном взаимном расположения мииродефектз к области генерала, ККЗ.,

основу вывода и- результаты работк

1. Блергае методам;! математического: модзлхроз ая. для регяма наведенного тока (НГ) рассмотрена зависимость. рекомбинацжшного контраста изображения (РКП) объемных кккрсдефектов кокечшгх размеров от энергта электронов пучка.

2. Предложена модель расчета ?КЛ выходящего ка -поверхность объемного микродефекта,, позволяющая определять г.".у5;иу залеггния ¿..фоктэ к его наклон к поверхности..

3. Предложены. две модеяг расчета РКИ не выходаза; на поверхность объемах ьг.нродефектоз с учетом кенулеЕой. дг^уздокной длины в области м;:хроде&зкга.,

С помсзью первой из kix (более простой) расч^так. РКИ шаровых, м цшгядргчзских кккродгфехтоз без учета. дифЗузик. ЕНЗ-. вне сферы их гекйраща;. Модель позволяет оценить параметра ¡.кхродефехтэ,. которые удовлетворительно согласуется с эксперцмеятальнвд; даннц--к-,:. полученным: hsksi :: другими авторам::.

По второй модели расчит^л РХК. шаровых мккродефекто^. щтрн: решения д&йузшкаго уравнения, для КПЗ, во все2-в области генераций. Модель позволяет Старчески более обоснованно релит,ь.

задачу- к объяснять эхсяэрсмонтагьнхе результаты.

Обе предложенные модели объясняют наблздавзийся в монокристалле кремния аномальный свэт..~:й контраст; который ранее нэ находил объяснения.

4-, Развит метод оценит: информативных возможностей КЛ прямо-зонных материалов полупроводниковой оптоэлоктронитс: для измерения тх электрофизических параметров с использованием универсальной .функции генераций КНЗ, позволяющей проводить необходимые вычисления практически для всех твердых тел* Проведено количественное рассмотрение зависимости янтенсизности монохроматической 1УГ пря-мозоашх полупроводяковых материалов от энергий электронов в условиях низкого и высокого уровня возбузденпя, а такгй . рассмотрен случзй, когда вклады линейкой и квэдраничной рекомбинации сопоставима.

5. Покаёано, что использование предложенных методик позволяет физически 6o.:se обоснованно проводить количественное списание имевдихся экспериментальных результатов, в том числе объяснить результаты, в фг.зической интерпретации которых ранее имелась затруднения.

S. Предложенные методики позволяет 'измерять электрофизические тарамзтры прямозонных полупроводниковых материалов: диффузионную длину НКЗ; приведенную скорость поверхностной рекомбинации; толщину приповерхностной области, обедненной основными носителями заряда; спектральную зависимость коэффициента поглощения. ' • .

- 10 -

Основные результаты, диссертации опубликована в следующих работах:

1. Бузннин ¿.Н., Бугалккне H.A., Гричавский И.Б,, Лукьянов А.Е., Осико В.В., Лоройнова Е.В., Татаринцев В.М., Аль Шавр В. Определение характеристик электрически активных дефект:® л-ремния.-Изв. АН СССР, сер.$553., 1990, Т.54, Jfö, С.238-292.

. 2. Михеев H.H., Никоноров И.М., Петров В.И., Стедавач Ы.А.,

Аль Шаер В. Кгтодолшинесценция полу.фоводаиков в условиях высокого уровня возбуздения. - Изв. АН СССР, Сер.физ., 1990, Г.54. . Х2, С.267-270.

3. Михеев H.H., Никоноров U.M., Петров В.И., Стапг-ич U.A., .¿ль Шаер В. Катодолш.£нвсценция арсенида индия, легированного теллуром. - Изв. АН СССР, Сер.физ., 1990, Т.54, Mß, C.382-3S5.

4. Бузынш А.Н. . Лукьянов A.B., Аль Еаер В., Колмыхов Д.В., Харитонова Н.Ю. Расчеты контраста РЭЫ-иэобрзжений мвкродефек-tor кристаллов крешшя.-Изв.АН СССР. Сер.физ., '1992, Т.56, XS, С.45-49.

5. Степович U.A., Аль lüaep В. Некоторые математические аспекта нормировки функции потерь энергии электронами в твердом теле.-В кн.: Тезиса докл. VII Всесоюзного симпозиума по растрово! электронной микроскопии и аналитическим методам исследовали

: тверда* тал. - М.; ЖАК, 1991, С.91. .

6. Бузьтш А.К., Бутылкияа H.A., Лукьянов А.Е., Патрин A.A., Ал Шаер В. Выявление приповерхностных дефектов кремниевых пласта шдафпцировашшми методами наведенного тока в РЭМ.- В кн.: Те зиск докл. VII Всесоюзного симпозиума по растровой едектроннс микроскопии и аналитическим методам исследования твердых то - ИКАЙ. 1ъЭ1. СЛ.