Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

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 850С 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 6103 Ом•см, Na 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,