Фототермоакустична та фотоелектрична мікроскопія напівпровідникових структур на основі кремнію

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 sd 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