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以HPS-50B型FESEM对一些半导体试样的观测为例说明FESEM在半导体中的若干应用

HPS-50BFESEM对一些半导体试样的观测为例说明FESEM在半导体中的若干应用


       1。 研究半导体硅和砷化镓材料的晶体缺陷。

        我们用SEM的二次电子象(SE)研究了化学腐蚀显示的半导体表面的晶体缺陷形貌。用这种方法可研究半导体材料中晶体缺陷应变场的形状和尺寸、缺陷的走向、表面层内的密度、单个缺陷的显微形态、缺陷间的相对取向以及相互作用的迹象等等。FESEM可给出半导体表面晶体缺陷的高分辨形貌象,为上述研究提供方便,例如杂质缀饰的位错和堆垛层错成核中心的揭示是CSEM不易作到的。照片1是直拉硅单晶(100)面上化学腐蚀显示的位错和氧化层错的二次电子形貌象,其中有一位错穿过层错使层错的应力场形状受到影响。照片2是掺Te砷化镓(111)晶面上的位错,位错网络和微缺陷。可以着到六角形位错网络的形状受到周围位错应变场的影响以及微缺陷和位错网络相互作用的痕迹(在接近位错网络区域微缺陷的浅坑消失)。

        我们还利用半导体肖脱基势垒的EBIC象揭示半导体的原生缺陷,用PN结(或肖脱基结)的EBIC象揭示因扩散引入的二次缺陷。这种方法对研究晶体缺陷的电活性有很重要的意义。照片3是硅单晶表面肖脱基势垒的ERIC象,说明硅晶体中氧沉淀物的聚集。

        2. 用FESEM检验抛光硅表面的沾污

       宽带隙的氧化物和碳化物具有较高的二次电子产额(因它们的二次电子平均自由程大)。我们用δm代表最大的二次电子产额δmSiO2=2.1-4,δmMgO=15-20δmS1只有1.1,可见半导体材料和氧化物材料的二次电子产额可差20倍。根据δm的差别,并利用FESEM的低压工作模式(加速电压≤1千伏),有效地揭示了硅片表面(经抛光和清洁处理之后的表面)的氧、碳沾污。照片4中看到的是用酒精棉擦过的硅片表面上残留的不规则图形,它们呈亮衬度,说明这些区城的二次电子产额比衬底Si高,俄歇表面分析表明这些亮区是氧化物薄层

         3. 在研究半导体激光器中的应用

       半导体激光器的制造工艺一般都是用液相外延的方法来生长多层异质结构,一般有源层的厚度都较小。在异质结激光器的制造工艺中,最重要的问题是由于掺杂不当和杂质沾污使器件失去了异质结器件的优点。我们利用双异质结激光器剖面的二次电子形貌象和EBIC讯息重叠记录的方式,清楚地揭示了PN结在多层外延结构中的位置(照片5EBIC线分布的峰值位置),指出PN结距有源层偏位的距离。这个工作的关键是准确测定有源层的位置及厚度,对薄有源层激光器,有源层厚度只有0.1--0.3微米,由于构成异质结的两种半导体材料的二次电子产额差并不大,给检侧带来一定的困难。然而用PESEM选择适当的加速电压,在零偏压下也易得到清晰的多层结构形貌象,对研究异质结激光器PN结偏位的向题十分有利(照片6)。

         4. 在研究集成电路中的应用

        1)电子束、X射线曝光技术是制造近代半导体集成电路的先进工艺,大大提高了集成度和成品率。我们用HPS-50BFESEM没有表面喷涂金属膜的份情况下(表面喷涂往往会使表面形貌失真),直接观测用电子束曝光A刻蚀的二氧化硅、氮化硅的亚微米光栅,测定其间距、刻蚀深度及边缘角度。这特别有利于对电子束和热敏感的光刻胶刻蚀图形的直接观察(照片7)。

        2)我们利用FESEM的高分辨率和低充电效应,直接检测电路中氧化层的质量、多晶硅表面的粒度、光刻工艺中的局部缺陷、金属连线的隧道形缺陷等。此外,我们还可用EBIC模式确定集成电路中单个PN结的位置及PN结附近的晶体缺陷。

        3电压衬度是试样的表面电位分布对二次电子发射和检测的调制效应。试样加1~10伏的正电位产生负衬度(暗衬度),试样加负电位产生正衬度(亮衬度)。对一PN结加反偏压时,P区是负电位,电压衬度为亮区,N区为正电位,电压衬度为暗区,这是用SEM显示PN结的一种方法。SEM的电压衬度功能多用于分析工作状态下的集成电路,检验集成电路失效的原因。FESEM在低加速电压下的电压衬度象可揭示表面层中电位分布,而在较高加速电压下的电压衬度象可揭示衬底与表面层之间的电位分布,并且在1KV加速电压下可检测0。1伏偏压下的电压衬度差别。这种功能对多层布线集成电路的分析很有用,这也是FESEM应用于研究半导体集成电路的特殊功能。

        4)蓝宝石(或尖晶石)绝绝缘衬底上外延硅单晶是制造高速度、高耐辐照性能的半导体集成电路的重要工艺。由于衬底是良好的绝缘材料,在硅单晶外延生长的初始阶段,硅单晶小岛还没有连为一体时,外延层的电阻率相当高,电子束充电效应也相当严重。为得到高质量的SEM二次电子形貌象往往需要在表面上喷涂一导电膜,但这会使外延层表面原来的形貌发生畸变。我们用FESEM在表面不喷涂的条件下拍摄了蓝宝石上外延硅单晶初始生长状态的二次电子形貌象(如照片9所示),若对不同生长时间的外廷层作系列观察,便可研究蓝宝石上硅外延生长的成核过程。

        上述的举例是很有限的,随着各种附件的应用,必将进一步发挥FESEM的特性并扩大其在半导体技术领域中的应用范围。
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