Метод фотоэдс в РЭМ и его применение для диагностики кремниевых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ПО ИЗУЧЕНИЮ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ И ВАКУУМА

На правах рукописи КИБАЛОВ Дмитрии Станиславович

МЕТОД ФОТОЭДС В РЭМ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР

01.04 04 — физическая электроника

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Л\осква — 1992 г.

Работа выполнена Академии наук.

в Институте микроэлектроники

Российской

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, доцент Дюкоп В. Г., кандидат физико-ма1ематичсски\ наук Смирнов В. К.

О ф II ц и а л I. н ы е оппоненты:

доктор физико-математических на\к, профессор Максимов С. К., кандидат физико-математических паук Pay Э. И.

В е д у щая о р г а п п з а ц и я: Московский физико-технический ннстinyi.

Защита диссертации состоится « О ^ОА^-^Н'5 1993 i. в /'У час. мни. на заседании специализированного совета

К 041.07.01 во Всесоюзном научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума но адресу: 117331, .Москва, Андреевская набережная, дом 2.

С диссертацией можно ознакомп 1ьсн и Ученом Совей-

Автореферат разос-

лан М » jdeijuiii*; 1993 1.

Ученый секретарь

специализированного совета К 041.07.01 ,

кандидат физико-математических наук Л. Н. Невзорова

общая характеристика работы

Актуальность темы. На основе современной интегральной технологии изготавливаются приборные структуры с размерами легированных областей микронного масштаба. Для отработгеи и контроля технологического процесса, а также для анализа отказов готовых структур необходима информация о геометрических и электрофизических параметрах, характеризующих активные элементы структур, а используемы«! с этой целью днашостические методы должны обладать адекватными локальными зоз-можностями. Метод наведенного тока (ИТ) в растровом электронном микроскопе (РЭМ) применяется для определения следующих параметров:

сиффузнонной длины (Ld> и времени жизни «) неосновных носителей

»

злряда и относительной неоднородности концентрации (¿n/n) основных иосителей заряда. Пространственное разрешение jtopo метода в стационарном режиме jaancirr от LD >< Для кремния может превышать iCO мкм. Дня регистрации ИТ требуются контакты к образцам.

Существенно повысить пространственное разрешение при определении электрофизических параметроп возможно путем отображения потенциального рельефа. Например, отношению концентраций активных примесей d смежных областях щ/п 2 равному 1,5 отвечает разность потенциапов -10 мВ. Метод потенциального контраста (ПК) РЭМ позьоляет измерять поверхностные потенциалы бесконтактно, за сет улавливания медленных или истинно-вторичных электроноз, об-гслечивая пространственное разрешение близкое к диаметру электронного зонда РЭМ в плоскости объекта.

Но методом ПК РЭМ возможно измерение лишь поверхностной контактной разности потенциалов, значение которой отличается от соответствующего значения в объеме, за пределами приповерхностной области

пространстпениого заряда (ОГ13), вследствие заряда поверхностных состояний (ПС) и изгиба энергетических зон на поверхности. Информацию о ПС, а также о ч; можно получить при помощи исследовании кинетики фотоЭДС. Однако пространственное разрешений известных методов фотоЭДС значительно уступает методу ПК РЭМ.

Учитывал вышеизложенное, мох:но сделать ьыпод об гктуальностк разрабо/кн физических основ измерении (¡югоЭДС в РЭМ с высокой локальностью при помощи метода ПК.

Цель работы - исследование физических основ метода фотоЭДС в РЭМ с локальностью, позволяющей гюлуча1ь информацию об электрофизических параметрах активных элементов интегральных схем большой (5НС) к сверхбольшой (СБИС) степени шстсграции.

Научная ноьизн? работы

1. Впериые предложен мется измерения фотоЭДС в РЭМ и гсследо-ваны основные закояомерностн, лежащие в его оснояс.

2. Разрвботани принципы создания аппаратуры для реализации метода.

3. Впервые предложен и реализован способ измерении вргл>еии жизни неосновных носителей заряда в полупроводниках по наблюдению кинетики в^тилыюи фотоЭДС р-п перехода п РЭМ.

Практическая пенность работы

На основании изучения закономерностей формирования контраста фотоЭДС б РЭМ предложен метод и создана аппаратура для бесконгакт-

ной диагностики полупроводниковых структур с субмикрометровым пространственным разрешением, которая позволяет:

а) визуализировать и диагностировать имплантированные области на поверхности структур,

б) измерять времена жизни неосновных носителей заряда с временным разрешением 100 не без бланкирования зонда РЭМ по кинетике вентильной фо^оЭДС р-n перехода,

в) изучать кинетику перезарядки ПС.

Указанный метод я аппаратура в сочетании с методом вторично-ионной масс-спектрометрии (DIIMC) применяются для исследования поверхности шлифов, локально сформированных иенно-зоидовим распылением на заданных учапках поверхности структуры с псгронпостыо позиционирования -1 мкм, чго делает возможным:

е) визуализацию и измерение глубины залегания электрофизической границы как мелкого.пленарного р-n перехода (-100 им), сформированного имплантацией .на исей поверхности подложки, тах и р-n переходов. сформированных а изолирующих диффузионных слоях (струхтурн КМОП),

б) оценку эффективнее™ электрической активации имплантированной примеси из сопоставления данных послойного ВИМС-анализа (глубина металлургической границы) и данных по глубин* электрофизической границы.

Основные защищаемые положения

1. Закономерности отображения фотоЭДС планарных структур методом ПК РЭМ.

2. При установленин пороговой чувствительности н пространственного разрешении метод* фотоЭДС в РЭМ необходим учет эффекта катодо-ЭДС, обусловленного зондом РЭМ.

3. Метод измерения времени жизни неосновных носителей зарада по ышегике фотоЭДС р-п перехода, основанный на компенсации постогнной времени заряда ёмкости р-п перехода дополнительной стационарной подсветкой.

4. Метод измерения глубины залегайте электрофизической границу мелкого планарного р-п перехода и эффективности электрической активации имплантиропаннок примеси и окрестности этой границы.

5. Принципы и конструктивные решения, положенные в основу разработанной аппаратуры.

Апробация работы

Основные результаты днссертациоиной работы докладывались и обсуждались на:

1. XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ленинград, 1991г.).

2. VII Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Звенигород, 1991г.).

3. Научных семинарах и конференциях Института микроэлектроники, научных семинарах ВШ1ЦПВ.

Публикаиии

Основные результата диссертации опубликовать» в 7 печатных раоо-.тах, включая одпо авторехое свидетельство.

Объем и структура работа

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, пяти приложении и списка литературы. Общий об*см лнссертации 110 стр., включая 41 рисунков н библиографию из 84 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По введении дана обшаз характеристика работы и обзор содержания ю главам.

Первая глава содержит литературный обзор локальных и бесконтактных методов отображения потенциального рельефа поверхности. Рассмотрены следующие нзагепше вторично-эмиссионные электронно-зоидовие методы: метод Алдерсона, метод ПК РЭМ [1) и метод, основанный не детектирования оже-электроноа. Локальность этих методов определяется диаметрами областей выхода соотгетст пующнх вторичных элехтронон (медленных иди истикио-ьторичных для первьос двух метоло» и ох:е-элек-тронов для последнего), которые близки к диаметру первичного элек"рон-ного зонда в плоскости объекта. Из сравнения аналитических возможностей методов сделан вывод о том, что для отображения потенциального рельефа поверхности лучшим является метоя ПК РЭМ, обеспечивающий пространственное разрешение 10 им а порог чувствительности 10 мВ в пологе частот 10 Ги при токе зонда РЭМ 10 пА и ускоряющем напряжении 20 кВ для современных серийно выпускаемых приборов {!)•

Обращено внимание |;а - то,' что методом ПК РЭМ измеряется лишь пасерхлостная контактная разность потенциалов, значение которой может существенно отличаться от соответствующего объемного ■ значения из-за изгиба энергетических зон на поверхности, обусловленного зарядом ПС [2,31.

Из литературных данных следует, что информацию о ПС, а также о временах хишш неосновных постелей заряда могут дпь лох&чьные методы фого- или катодоЭДС [4]. Локальность (К) лих методов определяется соотношением К - 2{<(^/2?+1,02)1/'г и ограничивается ЬО при условии, что диаметры области генерации светового или электронного зондов (dg) значительно меньше 1ЛЭ- Емкостная связь, применяемая для регистрации фото-ЭДС, делает невозможным измерение постоянной фотоЭДС.

В заключение сделай вывод о целесообразности применения метода ПК для измерения фотоЗДС в РЭМ, при помощь* которого можно отображать фотоЭДС с улучшенным пространственным разрешением и исследовать кинетику фотоЭДС с постсенной составляющей сигнала, что ранге не применялось. На предложенный способ получено авторское свидетельство.

Во второй главе изложены физические основы мегома фотоЭДС в РЭМ. Получены основные количественные соотношения, обосновывающие закономерности формирования контраста фотоЭДС 5 РЭМ на примере типичных пленарных структур БИС (рис. 1 на стр. 10).

Приращение поверхностного потенциала относительно темноаиго значат« (определяемого катодоЭДС зонда РЭМ) создается при осгекгнии структуры как за счет вентильной фотоЭДС р-п переходов, т?х и за счет поверхностной фотоЭДС {2.3}. Пределы изменения параметров зонда РЭМ: тока 1В " 1 - 200 пА, энергий Электронов Ев ™ 2 - 20 кВ, - и интенсивности излучения 1<!0 мВт-см"^(Я~ 0,96 мкм), позволяют ограничиться рассмот-

рением тол! ко доух компонент фотоЭДС: вентильной - р-п переходов н поверхностной - перезарязкн ПС (3], причем учет .последней возможен из сравнения данных расчета и эксперимента.

Расчет вентильной фотоЭДС р-п переходов структура, изображенной на рис. I, основывается «а теории вентильного элемента. Для положения зонда РЭМ в точке А лриргмцгннс потенциала п-слои при освещении определяется выражением:

УрИ "фо!п Ор)1/ <и+1е) + Ч, Ш

где фо " кТ/е - температурили г.отеицнал, 1рЬ, 1$ - фхтяох и обратный ток п- р перехода, ¡е - наведенный то* в п-г, переходе, ооуси>*денный генерацией неосновных носителей заряда зондом РЭМ.

Для положения зонда в точке В приращение потенциала складывается из соответствующих приращений для двух переходов: р*-л и п-р. С учетом функциональной зависимости УрИ " УрЬ (1рЬ, и. 'е> согласно (1) это приращение можно выразить в следующем виде:

^рН ^р^О р}}) ^в» «>

где )' - ток инжекции дырок из р+-области в р-облаегь, обусловленный катодоЭДС в р+-п переходе. Значительно превосходящая катодоЭДС зоида РЭМ погводяег пренебречь вентильной фотоЭДС р+-п перехода. В дальнейшем обозначения пеличин, относящихся х этому переходу, будут отмечены одним штрихом.

Вводя обозначения: а - коэффициент поглощения излучения; Ья. Ьр, Ьп- диффузионные длины неосновных носителей заряда в р-, п- и р+- областях; Ор, Оа - коэффициенты диффузии дырок и электронов, - на основании

проведенноге анализа данных работы [5] при условиях (ad« 1, ab > 2) получено следующее соотношение для Iph:

Iph - eSjOs (aLo) / i'I+alíi). где e - заряд электрона, Sj - площадь n-p перехода, Gs - поверхности«» скорость генерации электроннс-дырпчиых uap излучением.

Гок le, собираемый n-р переходом, согласие J6] виражаэтсч соотношением:

Ге - ÍB <Ь'В/со)Л ■ egoA. где £оп 3,67 эВ - энергия образования этектронно-дырочной пары в кремнии, h - эффективность сбора заргда, go • полная скорость генерации. .

Обратные токи в структуре рассчитывались на осноялшш стационарных уравнений непрерывности с учетом внутренних полей дрейфа, возникающих из-за неравномерного легирования областей по глубине. Для о-слоя с поисрхностнон концентрацией доноров ND и концентрацией акцелторои в, подложке Na внутреннее поле и фактор поля орпедалялигь как: Е»(фо/<1)1п(№/Ж), k=ELp/(Jo. Концегтрация акцепторов на поверхности р+-облзстн Na, н для этой области: Е=(фо/(01п(Ыл/ЫО), k'^E'Ln/to- При к, (/> >3; d /L.'u, d/l,p < 0,3; (D - d)/d < 0,1 выведенные соотношения справедливы с ш. грешностью менее 10 % ;

hn = Dn( ap/Ln ),Jsp- Dp< рп/Lp ) kNo/WD-NA i,

Is " e3jjs, Js - Jsn + Jsp,

где np, pn - концентрации неосковных носителей заряда на границах OII3 п-р перехода;

Jsn - Dn( а'р/ )-kí JSp - Dp < рп / Lp ) ( kNA+ k"1 ND )/(ND-NA ),

-9- е5]15. Н - + .^р.

/ / . „„„ + где пр, рп - концентрации неосновных постелен заряда на границах ОПЗ р -п

перехода;

1е'-1еУ. \l-iok', У - Озр/Ы1^о/иИл + к"1Мо>. Гяе У - коэффициент переноса дырок через п-областъ, л' - эффективность сбора заряда р+-п переходом для источника генерации в р+-области.

Полученные соотношения позволяют рассчитать вентильную компоненту фотоЭДС для локально сформирозаниых шшшрных структур БИС. Расчетные и экспериментальные профили фотоЭДС для линии сканирования зонда РЭМ на поверхности этих структур приведены га рис. 1. Сравнение результатов расчета и эксперимента позволяет установить роль механизмов фотоЭДС, вентильного п перезарядки ПС, в формировании контраста фотоЭДС в РЭМ с учетом влияния зонда РЭМ.

Сравнение профилей. полученных при разину энергиях и токах зонда РЭМ, показывает зависимость контраста фотоЭДС от мощности зонда и от локализации по глубине области генерации носителе."! заряда зондом. При низких энергиях и токах (ЕВ" 2кВ, 1в ~ 10 пА) область генерации находится в приповерхностной ОПЗ обеднения п-слоя, сбор заряда ограничивается полем ОПЗ, что уменьшает "шунтирующее" влияние зонда на фотоЭДС п-слоя (см. рис. 1). Глубина приповерхностной ОПЗ обеднения в р+- и п+-областях гораздо меньше глубины области генерации, поэтому гентильная фотоЭДС для этих областей "шунтируется" зондом. Однако р+-области могут наблюдаться на фоне п-слоя именно благодаря такому влиянию зонда: иняакция дырок из р+-областей в п-слоЯ создается катсдо-ЭДС в р+-п переходах, что понижает вентильную фотоЭДС п-слоя (см.

1Н1

V

/

1. г

~1 во

= 2 кУ

^ 3--

3(, иш

V . «В

и

I

гс

И ьо

Х^з 100 |>Д|

-V

X, мкн

Рис. 1. Структуры БИС и профили фотоЭДС, отвечающие сканированию зонда РЭМ по линии на их поверх»ости:V- область канала полевого транзистора; 1,3 - расчет вентильной компоненты фотоЭДС: 2,4 - экспериментально измеренная фотоЭДС.

й

1X5

76 -

О

префнль 1). Поверхнос тиля фотоЭДС уменьшает контрлсг пситнлыюй фо-то'ЗДС для р*-областей и делает возможным наблюдение п+-областе;1 <см. профиль 2).

При повышенчых энергиях и тохах (£п» 12 кВ, ¡В " 100 пА) возрастает влияние зонда РЭМ на изучаемую структуру: область генерации выходит из приповерхностной ОПЗ п-слоя, и фотоЭДС этого слоя "шунтируется* зондом, а условия наблюдения р+-областей улучшаются. Поверхностная фотоЭДС о этом случае поднимеет уровень фотоЭДС п-слоя (см. профиль 4), практически не изменяя относительного положения уровней фотоЭДС р+-областеи и п-слоя, определяемых вентильным механизмом (см. профиль 3). В этих условиях п+-область не наблюдается. Видно, что контраст изображения в режиме фотоЭДС зависит от параметров зонда. ., '

Таким образом, выявленные закономерности формирования контраста фстоЭДС з РЭМ необходимо учитывать при диагностике планарных структур БИС.

При рассмотрении профилей фотоЭДС вдоль линии сканирования возникает вопрос о пространственном разрешении метода фотоЭДС п РЭМ. Поскольку РЭМ при отображении фотоЭДС работает во вторичной эмиссии, то рассмотрен метод измерения разрешения РЭМ для вторично-эмиссионного режима. За пространственное разрешение принималось расстояние, соответствующее перепаду видеосигнала РЭМ в форме размытой ступеньки между оговоренными уровнями, например 10 и 90 причем полный перепад сигнала принимался за 100 %. Такой подход к измерению разрешения РЭМ требует калибровки; увеличения РЭМ, что отражено в соответствующей методике.

На основании ьыииизложеннего разобран вопрос о предельном пространственном разрешении метода фоюЭДС и РЭМ с учетом влияния зонда РЭМ на формирование сигнала фотоЭДС при условии устранения прочих факторов, например, пренебрегая размерами ОЛЗ выходящих1 на поверхность границ областей.

Длл областей, в которых например, для п- СЛОЙ (см. рис. 1)

пространственное разрешение равно разрешению дл? вторично-эмиссиои-иого режима, а, значит, и для метода ПК РЭМ, т.е. близко к диаметру зонда РЭМ в плоскости объекта 11].

Для локально сформированных шикарных областей, в которых 1рЬ<< «1«. разрешение метода фотоЭДС в РЭМ тоже близко к диаметру зонда РЭМ, однако наблюдение этих областей возможно только за счет фотоЭДС, обусловленной перезарядкой ПС. Следует отметить, чго п+-области с размерами микронного масшттба \сы. рис. 1) наблюдались при малых энергиях и токах зонда РЭМ (Ев < 3 кВ, 1в < 100 пЛ) за счет перезарядки ПС причем повышение мощности к энергии зонда делало невозможным их наблюдение.

Для легированных областей, локально сформированных на поверхности изолирующих слоев (р+-области на рис. 1), действует другой механизм. В этом случае пространственное разрешение метода фотоЭДС в РЭМ определяется размером области генерации носителей зондом РЭМ. Таким образом, предельное пространственное разрешение метода фотоЭДС в РЭМ связано с влиянием зонда РЭМ на исследуемые структуры.

Влияние зонда РЭМ, а именно катодоЭДС, сказывается и на пороговой чувствительности метода фотоЭДС з РЭМ. Прь измерениях фотоЭДС следует обеспечивать такие условия, при которых катодоЭДС не гначитель-

но превышает фотоЭДС. Если это условие выполнено, то порог чувствительности полнощью соответствует таковому дли метода ПК ЮМ при детектировании стационарных амплитуд Шт!п) и а стробоскопическом режиме <ии1п8):

где п - отношение сншал-шум, в - коэффициент, зависящий от эмиссионных свойств образца, его потенциала и конструктивных особенностей коллекторной системы, и - напряжение на задерживающей сетке коллектора (я рабочей

точке и>»ио), Г- полоса частот, 5 - скважность строб-импульсов. Эксперимен-

2

ты показали, что при (} ■ 10, п «• ЫГ » 10 Гц, 1ц ™ 100 пА значение Ь'тт составляло 20 мВ.

Предложенный з диссертации стробоскопический принцип регистрации (¡хугоЭДС в РЭМ применялся для бесконтактного измерения времени жизни неосновных носителей заряда согласно теории кинетики вентильной фотоЭДС р-п перехода, разработанной в [7), причем особенностью данного подхода являлось использование постоянной подсветки образца наряду с импульсной. С учетом влияния зонда РЭМ и постоянной подсветки начальный участок спада фотоЭДС УриО) оказывается линейным;

УрИО)-фо!п [ [РЬ шах/(1е+1рЬ°))-ФоО/т). где 1рЬиах - максимальный фототок в импульсе, 1рп° - фототок постоянной подсветки, "с - время жизни неосновных носителей заряда. Наклон прямолинейного участка а единицах температурное потенциала фо равен т.

Приведенное рассмотрение справедливо при условии, что постоянная времени заряда барьерной емкости р-п перехода С]значительно меньше т, т.е. «% где ^ - сопротивление р-п перехода. Уменьшить можно за

Гис. 2. Блох-схема установки дла измерения амплитуды фотоЭДС в РЭМ: 1 - образец, 2 - излучатель, 3 - отклоняющие система. 4 - коллектор потенциального контраста, 5 ■ электронный зонд, 6 - генератор импульсов тока, 7-

генератор нормирующего напряжения, 8,9 делитель, 11 - ПЭВМ.

синхронные детекторы, !0 —

г&ЁШ

-Ш Чтнзг----

Рис. 3. Блок-схема установки для измерения кинетики фотоЭДС в РЭМ: I-образец, 2 - излучатель, 3 - отклоняющая система, 4 - коллектор потенциального контраста, 5 - электронный зонд, 6 - формирователь им пульсов тока, 7 - формирователь серий импульсов, 8 - делитель частоты, 9 - опорный генератор, 10 -блох задержки, 1! - формирователь импульсов гапрджения, 12 - синхронный детектор/

счет повышения уровня стационарной подсветки: ^" Фи/ 1р!1°. - тем самым обеспечивая требуемо? условие. Кроме того, подсветка стабилизирует за-рад ПС и уменьшает влияние перезарядки ПС. на кинетику фотоЭДС.

Показано, что данным методом возможно измерение <с > 0,5 мкс о погрешностью 10% в кремниевых подложках с уровнем легирования менее -10*®см При этом 5] <1 мм^, а источник излучения должен обеспечивать фототок 1рЬ тах ■* 1,4 мА, что пыполнимо при использовании ннжекцион-ного лазера с мощностью излучения 4 мВт на выходе световода с числовой апертурой 0,2. Указанные ограничения обусловлены выполнением требования «т

В третоей главе описана аппаратура для реализации ыетодз измерения фотоЭДС в РЭМ с параметрами близким» к теоретически достижимым, методики контроля этих- -параметроа, а также методики к схемы экспериментов для визуализации двумерных распределений фотоЭДС на поверхности исследуемых структур и для бесконтактного измерения времени жизни неосновных носителей заряда по кинетике фотоЭДС.

На рис. 2 представлена блок-схема установки для детектирования фотоЭД С с норм ировкой на калибровочный сигнал, лодадагм ый на столик объектов РЭМ. Эта схема позволяет корректно измерять потенциалы на поверхностях образцов со значительным вторично-эмиссионным контрастом ь отличие от схемы линеаризации [!], для работы которой требуется существенное усиление в петле обратной связи. Последнее не всегда выполнимо для контрастных образцов из-за шумов вторично-эмиссионного тока,

Блок-схема установки для реализации стробоскопического режима приведена на рис. 3. При этом строб-импульсы блгнкируют не зонд РЭМ, а

вторично-эмиссионный ток в коллекторном устройстве. Рассмотрен предел временного разрешения этой схемы.

Следует отметить, что упрочение конструкции коллекторного устройства (на схемах не показано): замена сферической тормозящей сетки плоской диафрагмой, устранение диафрагмы в аноде, ограничивающей поток быстрых отраженных электронов, из-за наклонного положение коллектора ПК относительно оси коллектора Торнли-Эверхартз, - не привело к ухудшению его качества. Конструктивно коллектор ПК устанавливается перед коллектором Торнли-Эвермрта в аналитической камере РЭМ, что даст иозмоясность легкой адаптации конструкции к любому серийно выпускаемому РЭМ

В четвертой главе описаны результаты экспериментов и проведено их обсуждение.

Проиллюстрированы возможности метода фотоЭДС в РЭМ по отог бражешно имплантированных областей в кремнии и их диагностики, а также мсгодическне особенности применения метода, связанные с учетом поверхностной фотоЭДС.

На рис. 4,5 показаны изображения фотоЭДС транзисторной структуры, поперечное сечение зеогорой представлено на рис. 1 (р+- иТ'-областн). Данная структура обнаруживала значительное влияние поверхностной фо-тиЭД С. Изучение кинетики фотоЭД С на основании анализа полярности и амплитуды импульсов выявило следующее. При 1-1 мВт • см'^.А- 0,96 мкм на низких частотах модуляции интенсивности излучения I « 1 - 10 Гц поверхности п-слоя и транзистора проявляли сильную компенсацию вентильной фотоЭДС перезарядкой ПС. При увеличении Г до 2 кГц данная компенсация практически устранялась (из-за инерционности перезарядки),

Рне. 4. Микрофотографии полевого транзистора с Б-образным затвором, (а) вторичная электронная эмиссия, (б) фотоЭДС.

Рис. 5. Распределение фотоЭДС на поверхности шлифов подзатворной области транзистора, сформированных ионным распылением пучхами Кз+ (а) и 02+ (б) .

но появлялась дополнительная составляющая поверхностной фотоЭДС, амплитуда и полярнос/ь которой были одинаковы как на поверхности транзистора, так и на поверхности п-слоя (см. рис. 1, проф:1ль 4). При этом нп частоте I " 2 кГц фотоЭДС на поверхности р-подложхн была близка к нулю. Выбранные параметры излучения обеспечивали наблюдение транзи-' сгорной структуры га фоне п-слоя d режиме фотоЭДС за счет преимущественного влияния вентильного механизма, который хорошо описывается количественно в отличие от перезарядки ПС (см. рис. 1, профиль 3).

Таким образом, выбором параметров излучения и зонда РЭМ с учетом кинетики перезарядки ПС можно обеспечить наилучший режим наблюдения структуры в целом, что лил естся методической особенностью применения метода фотоЭДС в РЭМ для подобных структур. Именно в этом режиме получены изображения фотоЭДС, представленные на рис. 4,5. " Следует отметить, что исследуемая структура имела слабый потенциальный контраст из-за «¡лыюго обеднения на поверхности р+- и п-облагтей, поэтому метод фотоЭДС в РЭМ октален наиболее эффективным для её изучения.

Экспериментально изучено влияние изменений ЕВ на контраст фотоЭДС, что послужило подтверждением полученных, во второй главе закономерностей. При Ев " 12 кБ транзисторная структура (см. рис. I, р+-об.тасти> наблюдалась при максимальном контрасте, а при Ев " 7 кВ контраст исчезал. Уменьшение Ев до 2 кВ приводило к обращению изображения (}ютоЭДС структуры при малом контрасте. Инверсия контраста объяснялась существованием на поверхности n-области ОПЗ с обеднением глубиной w « О,И мкм, отвечающей глубине Z эффективного точечного источника генерации при ЕВ ш 7 кВ. С учетом уровня легированна п области изгиб

зон в ОПЗ оценивается значением 190 мВ [б]. При этом поле ОПЗ существенно ограничивает сбор зарода п-р переходом, когда % <чг. Условию максимума контраста отвечает Ъ ■ й'/2. Таким образом, возможно диагностиро-ванне структур на основании зависимости контраста фотоЭДС от энергии электронов зонда РЗМ.

На рис. 5 показано изображение фотоЭДС косого шлифа подзатаорной облает транзистора, хоторое выявило особенность воздействия распыляющего ионного пучка N2+ на изучаемую структуру, что обнаруживалось в локальном увеличении фотоЭДС я узкой полосе на поверхности шлифа, отвечающей глубине -20 нм. Обсуждены возможные причины данного явления. Пучок 02+ не вызывал отмеченных особенностей. Поэтому для измерения глубины электрофизической границы использовались шлифы, приготовленные при помощи пучка 02+.

Методики измерения глубин электрофизических границ мелкого пленарного р-п перехода (-100 нм) и р+-п перехода, сформированного в п-слое (см. рис. 1), а также способ измерения эффективиостей электрической активации имплантированной прнмеен по данным послойного ВИМС-ана-лиза опробованы на кремниевых структурах.

Измерение времени жизни неосновных носителей заряда в кремниевой пластине КЭФ-7,5 (111) по кинетике фотоЭДС р-п перехода описано з заключительной части четвертой главы. Измеренное значение составило "С» Т 1,4 £ 0,1 мге, что соответствует диффузионной длине дырок 1-0 =41 ± +2мкм.

Выводы диссертационной работы

1. Впервые предложен метод фотоЭДС в РЭМ, основанный на приме-' нении спектроскопии вторичных электронов для измерения фоюЭДС, н разработаны его физические основы.

2. Впервые предложен метод определения времени жизни неосновных, носителей заряда в полупроводниках по ышетчке фотоЭДС с компенсацией постоянной времени заряда ёмкости р-n перехода дополнительной подсветкой в РЭМ.

3. Предложен способ измерения локальных параметров пленарных р-n . переходов (глубины залегания электрофизической t-рашщы, эффективности активации имплантированной примеси) на основании сочетания методов фотоЭДС в РЭМ и ЬИМС.

4. Экспериментально проиллюстрирована возможность изучения эффектов перезарядки ПС и эффектов влияния ионных зондов на поверхность' кремния при помощи метода измерения фотоЭДС в РЭМ.

5. Создана аппаратура для реализации метода, которая в своей основе ' имеет высокоэффективный коллектор-анализатор вторичных элекУронов компактной конструкции, легко адаптируемый к любому серийно выпускаемому РЭМ.

Цитированная литература

1. Дюков В.Г., Нелнико С.А.. Седов H.H. Электронная микроскопия локальных потенциалов. Киев: Наукова Думка. 1991. 199 с.

2. Рженов A.B. Электронные процессы на поверхности полупроводни-

i

ков. М.: Наука, 1971. 480 с.

3." Овсюк В.П. Электронные процессы и полупроводниках с областаин пространственного заряда, Новосибирск: Наука, 1984, 254 с,

4. Гостев А.В., Клейкфельд Ю.С., Pay Э.И., Суропша В А. Визуалнза-щш приповерхностной микроструктуры полупроводниковых материалов методом электронной нздухшюнпо-зарядоБОЙ ЭДС. - Поверхность, 1937, N5, с. 73-81.

5. Nocr Mohammad S, Лл alternallve method for the performance analysis of silicon solar cells. - J. Appl. i'hys, I9S7, v. 61. N 2, pp. 767 -772.

6. Klmerling L.C., Leamy HJ., Benton J.L., Ferris S.D., Freeland P.E., and Uubin J J. Analysis of Impurity distributions and defect structures in semiconductors by SEM-charge collection, microscopy. - Semiconductor silicon 1977. ed. U.K. Huff and E. Sin!. Princeton, 1977, pp. 468 - 480.

7. Рывк1ш C.M. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматпгз, 1963 496 с.

Рсчсвнма результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дюкоп В.1\, Кибалов Д.С. Метод определения разрешения растрового электронно« микроскопа. - Измерительная техника, 1990, N 5, с. 28 -30.

2. Борисов П.А., Дюхов В.Г., Кнбалов Д.С., Файфер D.H. Способ определения электрофизических характеристик полупроводников. - Авторское свидетельство СССР N 1578770, 1990.

3. Кибалсп Д.С., Смирнов В.К. Измерение параметров пленарных р-п I переходов при помощи техники ВИМС и РЭМ. - Известия Российской АН,

сер. фкзпч., 1992, т. 56, N 3, с. 77 - 82.

4. Дюков В.Г., Кибалов Д.С., Смирнов В.К., Фаш[>ер В.Н.. Изуче.пч. локального распределения и кинетики фотоЭДС на кремниевых структурах . в РЭМ. - Известия Российской АН, сер. физич., 1992, т. 56, N 3, с. 64 - 70.

5. Дюков В.Г., Кибалов Д.С., Смирнов В.К., Файфер В.Н. Изучение кинетики фотоЭДС на кремниевых структурах в РЭМ. - Тез. докл. VU Всес. симпозиума по растровой микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. - М., 1991, с. 12.

6. Кибалов Д.С., Смирнов В.К. Применение регистрации фотоЭДС в ГЭМ и ионно-зондового ".-равлеыия для определения глубины легированных пленарных областей. - Тез. дохл. VII Всес. симпозиума по растровой микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. - М., 1991, с. 16.

7. Кибалов Д.С., Смирнов В.К. Спехтр вторичных электронов и особенности формирования контраста s РЭМ при анализе тонкопленочных структур. - Тез. докл. XXI Р.ссс. конференции по эмиссионной электронике. - Л енинград, 1991, т.2, с. 147.