ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 9, с. 1312-1314
УДК 681.385.833
СВЧ-РЭМ-МЕТОД НАВЕДЕННОГО ТОКА
© 2011 г. А. Н. Бузынин1, А. Е. Лукьянов2, Ф. А. Лукьянов3, Э. И. Рау2
E-mail: aluk36@rambler.ru
Рассмотрены особенности исследования полупроводниковых структур в РЭМ с приставкой для регистрации вариаций СВЧ-сигнала при облучении пульсирующим электронным зондом образца, находящегося в поле СВЧ.
Разработано несколько методов наведенного тока, наведенного потенциала, наведенной проводимости, наведенного (индуцированного) заряда для регистрации электрически активных дефектов или особенностей электрофизической структуры и внутренних электрических полей в полупроводниковых образцах с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Все они базируются на эффекте локальной генерации неравновесных пар электрон—дырка в объеме полупроводника при облучении его сфокусированным электронным пучком в РЭМ [1, 2].
Чаще всего используют контактные режимы (на образце — два контакта) для получения сигналов наведенного тока, потенциала или проводимости [1]. Для этого на поверхности образца формируют энергетический барьер (р-п--переход или барьер Шотт-ки), нарушая тем самым исходное состояние поверхности и приповерхностных областей исследуемого образца. Благодаря наличию контактов на образце, генерированные электронным пучком пары электрон—дырка, разделенные внутренними локальными полями в полупроводниковом образце, могут создавать наведенную проводимость, потенциал или ток во внешней цепи. Внутренние поля — это, например, поля локальных р—п-переходов, барьеров Шоттки, дислокаций и других электрически активных дефектов.
Очевидно, что далеко не всегда удобно и полезно формировать контакты к образцу, поэтому большой интерес представляют различные бесконтактные методы регистрации внутренних неоднородностей электрофизической структуры образцов. Один из довольно известных бесконтактных методов регистрации вариаций локальных полей в полупроводниковом образце — так называемый метод "индук-ционно-зарядовой ЭДС" [3]. При изменении локальной плотности генерированных электронным
1 Учреждение Российской академии наук Институт общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Москва.
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.
3 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени М.В. Ломоносова.
пучком пар электрон—дырка (из-за наличия внутренних полей) в пространстве над образцом меняется электрическое поле, которое индуцирует наведенные заряды на проводниках вблизи образца.
Для регистрации наведенного заряда обычно используют небольшое проволочное колечко над образцом с подсоединенным зарядочувствительным предусилителем — так называемый "detector Rau". Весьма высока чувствительность этого метода к вариациям внутренних локальных полей (в частности, к электрически активным дефектам в полупроводниках), однако получаемый полезный видеосигнал невелик, поэтому нужны и другие бесконтактные методы.
Гораздо менее распространен другой бесконтактный метод с использованием вариации СВЧ-сигнала от образца, облучаемого электронным пучком [4—6]. Он аналогичен более известному методу [7] получения информации о внутренних электрических неоднородностях полупроводникового образца (находящегося в СВЧ-поле), используя вариации СВЧ-сигнала при облучении образца лазерным пучком. Можно при этом использовать и метод сканирования [8].
Суть метода состоит в следующем: если каким-либо способом изменять проводимость полупроводникового образца, то будет изменяться и коэффициент отражения (или прохождения) СВЧ-поля для такого образца. Предельные случаи: от металла СВЧ-волна отражается, но проходит через диэлектрик. Вариации проводимости в полупроводнике как раз и возникают при облучении его лазерным или электронным пучком (благодаря генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар). Нужно только зарегистрировать малые вариации огибающей СВЧ-сигнала после детектирования (методами узкополосного усиления и накопления).
Блок-схема РЭМ-СВЧ (РЭМ с приставкой для регистрации вариаций СВЧ-сигнала при облучении полупроводникового образца электронным пучком) приведена на рис. 1. Электронный пучок с энергией 10—50 кэВ стробируется с частотой порядка 10 кГц, фокусируется, развертывается в растр и, попадая на полупроводиковый образец, генерирует в нем не-
СВЧ-РЭМ-МЕТОД НАВЕДЕННОГО ТОКА
1313
равновесные пары электрон—дырка вплоть до глубины порядка 10 мкм. Стробирование осуществляют подачей прямоугольного или синусоидального напряжения с амплитудой более 100 В на отклоняющие пластины с отсекающей диафрагмой под ними.
Образец расположен над гантелевидным отверстием в резонаторе и при изменении проводимости модулирует как добротность резонатора, так и сдвиг его резонансной частоты (незначительно). В экспериментах использовали СВЧ-сигнал с частотой около 10 ГГц (длина волны примерно 3 см). Генератор и циркулятор в данной схеме эксперимента находятся вне колонны РЭМ.
Из-за изменения локальной проводимости образца при облучении его электронным пучком меняются амплитуда и фаза выходного СВЧ-сигнала (на выходе циркулятора). Амплитуда огибающей СВЧ-сигнала (после детектирования) практически пропорциональна концентрации неравновесных носителей заряда генерированных электронным пучком и зависит от их времени жизни т и диффузионной длины Ь.
В экспериментах использовались два различных СВЧ-генератора: компактный генератор на диоде 1анна с малым диапазоном перестройки рабочей частоты и стандартный перестраиваемый генератор на частоте вблизи 10 ГГц. Ввод и вывод СВЧ-сигнала в колонну РЭМ — через коаксиальный СВЧ-кабель с вакуумным уплотнением. Рассматривается также вариант с компактным транзисторным СВЧ-гене-ратором, размещенным в колонне РЭМ.
На рис. 2 приведены РЭМ-микрофотографии кремниевой пластины (КЭФ-20) толщиной 400 мкм (после стандартной химико-механической обработки) с имплантированными через маску ионами бора, создающими локальные р-п-переходы. Эти пла-нарные р-п-переходы разделяют генерированные электронным пучком пары электрон—дырка, меняя проводимость образца, что и приводит к модуляции СВЧ-сигнала. Можно сравнить контраст РЭМ-изображения, т.е. отношение видеосигналов от соседних участков образца, для различных способов получения полезного видеосигнала.
В режиме сбора вторичных электронов (рис. 2а) контраст изображения имплантированных областей очень слабый (менее 3%) из-за малой вариации коэффициента вторичной эмиссии при сканировании кремниевой матрицы и имплантированных участков. В то же время в режиме СВЧ-детектирования (рис. 2б) контраст изображения превышает 30% (см. осциллограмму видеосигнала на рис. 2в) и при тщательной настройке всего тракта получения видеосигнала может достигать даже 90% при ускоряющем напряжении более 15 кВ. Это иллюстрирует очень высокую чувствительность СВЧ-метода к электрически активным неоднородностям, что отмечалось и авторами работ с оптическим возбуждением носителей [10].
Рис. 1. Блок-схема РЭМ с приставкой для регистрации вариаций СВЧ-сигнала при облучении полупроводникового образца сканирующим сфокусированным электронным пучком: О — полупроводниковый образец, расположенный в колонне РЭМ над гантелевидным отверстием в резонаторе Р, СГ — строб-генератор для бланкирования электронного пучка и синхронизации узкополосного синхронного усилителя СУ, Г — генератор СВЧ, Ц — циркулятор СВЧ, Д — детектор СВЧ-сигнала, М — монитор (или дисплей) для формирования изображения или регистрации осциллограмм видеосигнала.
Рис. 2. Микрофотографии кремниевого образца в режиме вторичной эмиссии (а) и с использованием СВЧ-метода в РЭМ (б). Увеличение 50х; в — типичная осциллограмма видеосигнала после детектирования СВЧ, внизу — нулевой уровень сигнала.
С помощью обсуждаемого метода СВЧ-РЭМ можно оценивать время жизни неравновесных носителей заряда, измеряя сдвиг фаз между опорным и модулированным СВЧ-сигналом аналогично работе [9]. Несмотря на большой перепад амплитуды видеосигнала (возрастающего с ростом ускоряющего напряжения РЭМ в диапазоне 18—50 кВ) сдвиг фаз на поверхности образца — кремниевой пластины составлял ф = 45° ± 5°. Это соответствует эффективному времени жизни (определенному из известного соотношения ф = ют) равному т = 20 ± 3 мкс. На сколе этой пластины (где скорость рекомбинации больше) сдвиг фаз ф = 33° ± 2° и эффективное время жизни т = 10 ± 1 мкс.
Предварительные эксперименты показали, что при дальнейшей доработке с применением миниатюрных генераторов в диапазоне 10—100 ГГц и по-лосковых линий связи метод СВЧ-РЭМ перспекти-
6 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 75 № 9 2011
1314
БУЗЫНИН и др.
вен для анализа электрически активных неоднород-ностей и измерения рекомбинационных параметров полупроводниковых образцов с удельным сопротивлением более 10 Ом • см.
Следует отметить, что геометрическое разрешение рассматриваемого бесконтактного метода наведенного тока слабо зависит от длины волны СВЧ-сигнала и диаметра электронного зонда в РЭМ. Оно определяется в основном диффузионной длиной носителей заряда, если диаметр электронного зонда гораздо меньше 1 мкм.
Авторы признательны А.В. Буракову и О.Г. Ко-шелеву за полезные консультации по СВЧ-методам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Leamy H.J. // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. № 6. P. R51.
2. HoltD.B., Lesniak M. // Scanning Electron Microscopy. 1985. V. 1. P. 67.
3. Гостев А.В., Клейнфельд Ю.С., Рау Э.И. и др. // Микроэлектроника. 1987. Т. 16. Вып. 4. С. 311.
4. Лукьянов А.Е., Патрин А.А., Янченко А.М. // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15. Вып. 10. С. 31.
5. Лукьянов А.Е., Патрин А.А., Янченко А.М. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1990. Т. 54. № 2. С. 330.
6. Luk'yanov A.E., Patrin A.A., Yanchenko A.M. // Scanning. 1990. V. 12. P. 337.
7. Бураков А.В., Якубеня С.Н., Янченко А.М. // Прибор для бесконтактного измерения времени жизни неравновесных носителей заряда // ПТЭ. 1986. № 4. С. 226.
8. Schlichthorl G., Beck G., Lilie J. et al. // Rev. Sci. Instrum. 1989. V. 60. № 9. P. 2992.
9. Богданов С.В., Копыловский Б.Д. // Физика тв. тела. 1961. Т. 3. № 3. С. 926.
10. Walter D.,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.