上海硅酸鹽所在半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷成像技術(shù)中取得新進(jìn)展
文章來(lái)源:上海硅酸鹽研究所 | 發(fā)布時(shí)間:2024-09-12 | 【打印】 【關(guān)閉】
隨著半導(dǎo)體材料和微電子器件的快速發(fā)展,對(duì)其內(nèi)部缺陷超高分辨無(wú)損檢測(cè)和分析的需求日益迫切。此前,基于聲、光、電信號(hào)響應(yīng),已開(kāi)發(fā)了多種亞表面微結(jié)構(gòu)成像表征技術(shù)。其中,電子束因?yàn)閿y帶巨大動(dòng)能和電荷,其與材料的作用微區(qū)約束在納米尺度上,且穿透深度最高可達(dá)微米級(jí),是理想的激勵(lì)源之一,由此開(kāi)發(fā)了包括電子束感生電流(EBIC)成像以及多種電子能譜等無(wú)損檢測(cè)技術(shù),但相關(guān)技術(shù)或存在分辨率低、或樣品破壞性微加工以及微電極必需等特點(diǎn),從而給半導(dǎo)體內(nèi)部缺陷評(píng)價(jià)帶來(lái)了相關(guān)局限。
近日,中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所發(fā)展了一種半導(dǎo)體材料內(nèi)部缺陷高分辨顯微成像新技術(shù)——非穩(wěn)態(tài)電子束電流成像的掃描熱電容顯微術(shù)(Scanning Thermoelectric capacitor microscopy,STeCM)。該方法基于無(wú)完整電回路設(shè)計(jì),樣品無(wú)需破壞性加工和微電極,為半導(dǎo)體材料和器件內(nèi)部的精密探測(cè)、失效分析和和高分辨評(píng)價(jià)提供了新手段。
STeCM技術(shù)基于掃描電聲顯微鏡平臺(tái),利用方波調(diào)制電子束作為周期性熱激勵(lì)源,在半導(dǎo)體材料內(nèi)部納米尺度微區(qū)原位激發(fā)“熱波”,由于半導(dǎo)體的澤貝克效應(yīng),溫差驅(qū)動(dòng)載流子遷移,電子束作用區(qū)類似一熱電容器,歷經(jīng)周期性充電和放電過(guò)程,從而產(chǎn)生周期性電流;通過(guò)解調(diào)該電流的高階諧波分量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料內(nèi)部熱電不均勻性的可視化以及樣品內(nèi)部缺陷的高分辨顯微成像。對(duì)于樣品內(nèi)部的缺陷顆粒,其不規(guī)則邊界和填充雜質(zhì)會(huì)增大界面熱阻,從而增加了熱波振幅在缺陷界面處的衰減。因此,在材料基體與界面之間產(chǎn)生了溫差,并體現(xiàn)在澤貝克效應(yīng)的感應(yīng)電流中,最終形成STeCM成像襯度。
掃描熱電容顯微術(shù)作為一種非穩(wěn)態(tài)電子束電流成像方法,將為半導(dǎo)體材料、微電子器件內(nèi)部失效分析提供原位、無(wú)損、高分辨表征新方法。相關(guān)研究成果以“Nanoscale subsurface imaging by non-steady-state electron beam-driven scanning thermoelectric capacitance microscopy”為題發(fā)表在Applied Physics Letters (125, 103503 (2024))上。上述工作第一作者為上海硅酸鹽所徐琨淇博士,通訊作者是上海硅酸鹽所曾華榮研究員,合作者有上海硅酸鹽所史迅研究員和陳立東研究員等。相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助和支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1063/5.0221638
圖1掃描熱電容顯微術(shù)(STeCM)的設(shè)計(jì)原理。(a)該技術(shù)采用方波調(diào)制的電子束作用于半導(dǎo)體樣品亞表面微區(qū),使之循環(huán)加熱和冷卻,從而產(chǎn)生“熱波”;由于半導(dǎo)體樣品的澤貝克效應(yīng),溫差驅(qū)動(dòng)載流子遷移,電子束作用區(qū)類似熱電容器一樣循環(huán)充放電,產(chǎn)生交變電流并從樣品底部輸出。(b)樣品亞表面不規(guī)則邊界和填充的雜質(zhì)會(huì)增大界面熱阻,導(dǎo)致熱波振幅在缺陷邊界處衰減,最終形成STeCM成像襯度。
圖2 STeCM系統(tǒng)。
圖3 STeCM實(shí)現(xiàn)Bi2Te3熱電器件內(nèi)部缺陷成像。(a)二次電子像;(b)選區(qū)放大圖;(c)對(duì)應(yīng)的STeCM成像,箭頭標(biāo)記區(qū)域顯示了亞表面缺陷,而對(duì)應(yīng)圖(b)形貌像未顯示;(d)顯示了STeCM信號(hào)與頻率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的線性相關(guān)性,與文中理論分析一致。
圖4 STeCM在不同調(diào)制頻率下實(shí)現(xiàn)Bi2Te3熱電器件內(nèi)部缺陷分層成像。