The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.
Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.
Det har varit känt i årtionden som utökade defekter påverka den elektroniska strukturen hos halvledarmaterial 1-3. Effekten av utökade defekter på utförandet av elektroniska apparater och andra applikationer såsom sensorer och solcellsmaterial är under omfattande experimentell och teoretisk undersökning. Det finns dock ingen allmänt accepterad teori för beräkning av de elektroniska tillstånd av halvledare i närvaro av utsträckta defekter. Detta är på grund av komplexiteten av elektroniska strukturberäkningar i fallet med avvikelser från den ideala kristallgittret och även till den stora mångfalden när det gäller de typer och konfiguration av utökade defekter, såväl som de möjliga kombinationerna mellan dem och med 0-dim inneboende och extrinsic defekter.
De vanligaste typerna av utökade defekter är dislokationer (1-dimensionella defekter) och korngränser (2-dimensionella defekter). I det följande, co vincentrate på båda av dessa typer av förlängda defekter i termer av de experiment som kan utföras i svepelektronmikroskop (SEM). De experimentella metoder som presenteras här ger information om strukturella, optiska och elektriska egenskaper utökade defekter och därför indirekt kunskap om de elektroniska tillstånd i halvledarmaterial som innehåller utökade defekter. Styrningen av defektrelaterade elektroniska tillstånd är en central fråga för tillämpningen av halvledare och drift av halvledarkomponenter.
För den strukturella undersökningen av utökade defekter kan elektron backscatter diffraktion (EBSD) teknik tillämpas. Vanligtvis är en EBSD mätning utförs av punkt kartläggning med en stationär elektronstråle vid varje punkt. EBSD ger sedan information om den kristallografiska orienteringen av kristallgittret av provet i fallet med en enda kristallina material och kornen i polykristallina material. for detta ändamål de experimentellt bestämda diffraktionsmönster som bildas av Kikuchi banden måste analyseras genom jämförelse med simulerade mönster bestäms från kristallrymdgruppen av materialet. Om programvaran för utvärdering av orienteringsdata kan beräkna den felorienteringsvinkel mellan de kristallografiska koordinatsystemen för angränsande kartläggningspunkter, kan den typ av korngränsen mellan dem bestämmas. Om felorienteringsvinkel är mindre än 15 °, en låg vinkel korngräns (LAGB) är närvarande; annars är det en hög vinkel korngräns (HAGB). Den typ av HAGB kännetecknas av sin Σ värde där Σ -1 är den del av gitterpunkter ligger på en tillfällighet gitter. Så, Σ = 3 står för mycket symmetriska dubbla gränsen 4. Om EBSD kartläggning på två plan av provytan kan mätas med en exakt kunskap om positionerna för avbildningar, typen av korngränsplanet wed Miller index HKL kan också utvärderas genom en metod som föreslagits av Randle 5.
Nyligen har ett nytt förfarande för utvärdering av elektron diffraktionsmönstret härrör av Wilkinson et al. 6, som möjliggör beräkning av alla komponenter i hela lokala stammen tensor, dvs., Absoluta värden för de tre normala stammen och tre skjuvspänningen komponenter. Denna beräkning utförs för varje mätpunkt i en kartläggning från motsvarande diffraktionsmönster med avseende på ett referensmönster tas på unstrained kristall regionen med samma kristallografiska orientering. Detta förfarande Utvärderingen baseras på fastställandet av små förskjutningar av karakteristiska egenskaper hos EBSD mönster med hjälp av korskorrelationsteknik som ger namnet ccEBSD. I förhållande till en vald referenspunkt, kan stammen komponenter och fackverks rotationer mätas med preciseringar av 10 -4 och 0,006 & #176 ;, respektive 7. Tillämpa ccEBSD mätningar i linje skannar över korngränser eller längs arrangemang av dislokationer, kan man bestämma lokalt belopp liksom utbudet av stammen områdena dessa utökade defekter.
De optiska egenskaperna hos dislokationer och korngränser kan undersökas genom spektralanalys och bildbehandling katodluminiscens (CL) tekniker. Luminiscensen signalen orsakas av den radiativa rekombination av elektron-hålpar som genereras i halvledarmaterialet av den primära elektronstrålen av SEM. Intensiteten av luminiscensen är proportionell mot den radiativa rekombinationseffektivitet som är förhållandet av den totala minoritets bärarlivslängden till den radiativa rekombination tiden. När detta förhållande påverkas lokalt av defekter, kan observeras en kontrast i luminiscens fördelning i CL-bilder. Normalt utökade defekter verka som icke-strålnings rekombination centra och därmed luminescence från bandband rekombination minskas i närheten av utökade brister i jämförelse med ostörd halvledare. Men i fallet med Si, Ge och vissa sammansatta halvledarmaterial, vid dislokationer samt på korngränser, karakteristiska luminiscens band observeras visar fotonenergier lägre än den hos den (direkt eller icke-direkt) band-till-band-rekombination i bulkmaterialet 8-10. Som ett exempel, avslöjade omfattande CL undersökningar av bundna kiselskivor och av flera kristallint kisel av Sekiguchi och medarbetare 11-13 att dislokationer och LAGBs ansvarar för förekomsten av grunda och djupa nivåer i bandgapet. Motsvarande radiativa övergångar betecknas som D linjer i CL-spektra. Icke desto mindre är fortfarande kontroversiell för interpretat rollen av spänningsfältet som åtföljer arrangemang av dislokationer och för kontaminering dislokation av syre utfällning och övergångsmetallföroreningarion av D-linjen luminiscens. Men, om en överlåtelse av energi position luminiscens linjen till en distinkt förlängd fel kan framgångsrikt gjort, då förekomsten av denna specifika linje i luminiscens spektrum kan tas som en signal för förekomsten av detta fel. För att öka luminescensintensiteten, dvs., Den radiativa rekombination i förhållande till den icke-radiativa en, CL undersökningar måste utföras vid låga temperaturer (kryo-CL) för halvledarmaterial med indirekta bandstrukturer.
De elektriska egenskaperna hos de förlängda defekter anses här kännetecknas av avbildning av elektronstråle inducerad ström (EBIC) i SEM. Denna ström kan observeras när elektron-hålpar som genereras av den primära elektronstrålen är åtskilda av ett inbyggt elektriskt fält. Detta fält kan genereras av den elektriska potentialen av de utvidgade defekter själva eller av Schottky-kontakter på provytan. Den EBIC bildkontrast resultat från lokala variationer i effektivitet laddnings samling på grund av en varierande rekombination beteende vid elektriskt aktiva defekter. De utökade fel brukar visa en ökad bärare rekombination så att de visas mörkare i en EBIC bild än defektfria områden. Inom ramen för fysiskt baserade modeller av defekter 14, en kvantitativ bedömning av den rumsliga beroendet av EBIC signalen, som kallas kontrast profil möjliggör bestämningen av minoritetsbärare diffusion längd och livslängd samt ytan rekombination hastighet. Eftersom dessa parametrar är beroende av temperatur, bör EBIC undersökningar även genomföras vid låg temperatur (Cryo-EBIC) för att erhålla en förstärkt signal-brusförhållande. Alternativt, temperaturberoende EBIC mätningar möjliggör bestämningen av koncentrationen av djup nivå föroreningar vid dislokationer enligt en modell som föreslogs av Kittler och medarbetare 15,16.
<p class = "jove_content"> Det bör noteras att de optiska och elektriska egenskaperna hos utvidgade defekter i halvledare kan påverkas signifikant av kontaminering och med 0-dim inneboende defekter 17 som inte kan lösas med svepelektronmikroskopi. Kombinationen av de experimentella metoder, ccEBSD, CL och EBIC, erbjuder möjlighet att visualisera de utökade brister och att kvantifiera sina fundamentala egenskaper i SEM. För framtida applikationer, där inte bara felanalys, men också hoppa kontroll och defekt teknik är avsedda, kommer detta kraftfulla verktyg spelar en viktig roll i att förbättra prestanda av halvledarkomponenter.SEM erbjuder möjligheten att lokalisera utsträckta defekter i halvledarmaterialet samt för att karakterisera deras strukturella, optiska och elektriska egenskaper genom tillämpning av ccEBSD, CL- och EBIC undersökningar. I allmänhet är det inte möjligt att utföra alla tre metoderna samtidigt på samma prov. Men en kombination av resultat som erhållits genom de olika kompletterande undersökningsmetoder, när de utförs på ett rimligt sekvens, leder till en djupare förståelse av den fysiska karaktären av de effekter som orsakas av förlängda defekter.
För CL mätningar ger information om de optiska egenskaperna hos utökade defekter, är ett kritiskt steg i protokollet provpositioneringsförfarandet (steg 1,6) på grund av oönskad glödgning av defekter i provet under uppvärmningen av indium folie (vilket ger en bra termisk och elektrisk kontakt av provet med provhållaren). Ett alternativ till det förfarande som föreslåsär att montera provet på provhållaren genom konduktiv silverpasta vid RT. Emellertid är det känt av erfarenhet att det organiska lösningsmedlet i pastan kan orsaka kontamination kol på provytan under avsökningen i SEM. Föroreningen försämrar kvaliteten på CL bilderna samt av EBSD diffraktionsmönster. Dessutom, steg 4,21 kräver särskild uppmärksamhet, där en plötslig ökning av luminiscens intensitet av kisel kan inträffa under avkylning av provet. Detta kan skada prestandan hos fotomultiplikatorn. Tvärtom, i fallet med oväntad låg luminiscens intensitet för det aktuella provet, bör man försöka förbättra anpassningen av ljusuppsamlings spegel (protokoll nr 4.23) eftersom det preliminära spegeln anpassning utfördes på ett prov vid RT i en något annorlunda spektrum av våglängd.
Om instrumentella begränsningar av metoden, måste man ta hänsyn till att vid mycket låg tempgärder scenen med provet kan flyttas endast av ± 5 mm i x- och y-riktningarna som begränsar området för proverna föremål för undersökning. Denna begränsning beror på risken för sprödbrott av det Han överföringsröret. Prov dimensioner för Cryo-experiment som anges i 1.1 och 1.2 är också begränsade av experimentella betingelser. Så ytan av proven bör anpassas till storleken på provhållaren för att säkerställa en optimal termisk kontakt på kylflänsen. Den låga rekommenderade tjocklek av kiselprover begränsar temperaturgradienten i provet för Cryo-experiment. För en provtjocklek av 200 | j, m, hölls temperaturen i centrum av interaktionen volymen för de primära elektronerna i ytområdet befunnits ökas med mindre än 5 K i förhållande till den temperatur som mäts vid ytan av provhållaren. Den höga skanningshastighet och låg förstoring endast föreslås för nedkylningen förfarandet i steg 4,5 och 4,17, se till att the regionen av intresse hålls rena. Detta är på grund av värmeöverföringen genom svepelektronstråle, som upprätthåller en temperatur alltid något över temperaturen hos resten av provregioner som fungerar som kondensfälla för restgas i SEM kammaren. Generellt är alla de parametrar som anges i steg 4,24 för CL-spektroskopi optimerad för mätning av den så kallade D-linjen luminiscens i bulk kisel av den experimentella inrättat enligt utrustningslistan. Parametrarna måste anpassas om undersökningar av luminiscens ska utföras på andra halvledarmaterial.
Oberoende av den energiområde av luminiscens observeras, en ytterligare begränsning av CL mätresultat från den ljusuppsamlingsspegel eftersom ljus som kommer från strålnings rekombinationsprocesser i hela rekombination volymen uppsamlas genom spegeln och avgör därmed gråvärde av motsvarande CL bild pixel som är tilldelaed till läget för elektronstrålen på provytan. Eftersom diametern av rekombination volym (vilket är jämförbart med den exciteringsvolymen) är större än pixelstorleken även vid låg förstoring, orsakar denna effekt en spatial utsmetning av luminiscensen signalen, och därmed begränsar den rumsliga upplösningen. Icke desto mindre gör det möjligt för CL utredning en avbildning av den lokala fördelningen av mono- eller pankromatisk luminiscens med ett medium spektral upplösning och skulle kunna kombineras med fotoluminiscens undersökningar för att ge en högre spektral upplösning. Nyligen, som ett alternativ experimentell metod för att CL mätningar, en mikroskopisk och spektroskopisk kartläggning av störningar relaterade fotoluminescens föreslogs av den grupp av Tajima och medarbetare 26. Den rumsliga upplösningen av fotoluminiscens kartläggning är klart lägre än i CL bilder, men fotoluminiscens undersökningar medger dessutom polariseringen av djup nivå emissionsbandet motsvarelateras till dislokationer som skall fastställas i LAGBs med twist och tilt strukturer 27,28.
När det gäller EBIC undersökningar, som ger en inblick i de elektriska egenskaperna hos utökade fel, det finns inga alternativa metoder för avbildning av lokalt varierande laddningsinsamlingseffektivitet i halvledarmaterial med en jämförbar rumslig upplösning. Men även för EBIC mätningar är kritiska steg i protokollet. Så i steg 5,13, är variationen av EBIC bild med sjunkande temperatur förväntas uppstå från de temperaturberoende egenskaperna hos de förlängda defekter. Emellertid kan kvaliteten av kontakterna förändras vid temperaturer under RT och därmed påverka EBIC bilden. Temperaturen påverkar Schottky kontakt, gjort med en lämplig skikt av Al i fallet med p-typ och med Au i fallet med n-typ kisel, på grund av de olika värmeutvidgningskoefficienter som separerar kontaktskiktet från kiseln-substrat. Dessutom är inte stabil vid temperaturer under 160 K. Normalt ohmsk kontakt som gjorts av en gallium-indium eutektisk, minskning av kontaktkvalitet leder till en kraftigt minskad EBIC signal för stora områden. I detta fall kontakterna måste förnyas. För EBIC undersökningar vid RT, är det också tänkbart att de kontakter för mätningarna EBSD kan göras genom att binda provet till en lämplig bärare kortet. En annan avgörande begränsning av EBIC mätningar orsakas av de utskjutande av kontaktspetshållare ovanför provets yta. För att undvika kollision mellan kontaktspetshållaren och polstycket av SEM WD bör vara minst 15 mm.
I den experimentella proceduren för ccEBSD undersökningar som kan användas för att uppskatta den långväga spänningsfält av utökade defekter, de följande stegen är kritiska. Den mest utmanande delen av experimentet är förberedelse provet, särskilt den sista polerförfarandet (protocol nr 3,1), som måste utföras noggrant för att undvika alstringen av ytterligare ytdefekter. Om kan erhållas ingen Kikuchi mönster, är inte tillräckligt ofta kvaliteten på provytan. Men från kisel enkristaller med glidlinjer på ytan efter plastisk deformation, en bra diffraktionsmönster kunde erhållas som var väl lämpade förfarandet ccEBSD utvärdering för. Ytråheten hos dessa prover analyserades genom atomkraftsmikroskopi vilket ger en höjdvariation i intervallet upp till 500 nm. Därför extremt höga inre stammar eller amorfa ytskikt verkar vara ansvarig för suddiga diffraktionsmönster snarare än den ofullkomliga jämnhet provytan. En annan fråga kan vara en låg signal från de koherent spridda elektroner i jämförelse med bakgrunden. Dvs. en ökning av sondströmmen vid konstant accelerationsspänning och / eller en mer noggrann bestämning av bakgrundssignalen (protokollsteg nr 6,12) are hjälp. För att minimera prov rörelse under en långvarig ccEBSD mätning rekommenderas att fixera provet mekaniskt (protokoll nr 3.2).
Instrumentella begränsningar för de ccEBSD undersökningar kan uppstå om lutningen på provytan i förhållande till den infallande elektronstrålen realiseras genom lutningen på steget. Det finns då starka restriktioner för förflyttning av provet på grund av en risk för kollision med polstycket och kammarväggarna. Dessutom är det starkt rekommenderat att använda endast linjeavsökningar som är parallella med tippaxeln (och därmed visas horisontellt på SEM-skärmen), för det första, vertikala skanningar har en stor summa fel för de interna påfrestningar på grund av felet prov luta. För det andra, under EBSD, är den laterala upplösningen högre (faktor på omkring 3 för 70 ° lutning) längs tiltaxeln än vinkelrätt mot den. Den undre gränsen för värdet av stammen tensor komponenter beräknas för Si från ccEBSD utredningar om2 x 10 -4, som är den slumpmässiga fel. Dessutom måste det understrykas att ccEBSD tekniken inte kan tillämpas i närvaro av stora galler rotationer (> 4 °) hänvisar till referenspunkten eller mycket nära korngränserna, där EBSD mönster från olika kärnor överlappar varandra. Den fysiska begränsningen av undersökningarna ccEBSD beträffande rumslig upplösning av stammen bestämningen är på grund av att intervallet för elektrondiffraktion vilken befanns vara ungefär 50 nm längs provet tiltaxeln. I jämförelse med röntgendiffraktions-experiment för bestämning av inre spänningar, är detta en klar fördel på grund av den betydligt större interaktion volym av röntgenstrålar, även i fallet med röntgen μ-diffraktion. För halvledarmaterial, kan undersökningen av störningar i den isotropiska brytningsindex med en polsökaren också tillämpas för bestämning av inre spänningar, men den rumsliga upplösningen i denna metod är lägre ännågra hundra nm 29. En alternativ metod för bestämning av den spatialt upplöst tredimensionella stam tillstånd i kristaller är baserat på uppdelningen av högre ordningens Laue zoner (HOLZ) linjer. Denna metod måste utföras i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) med användning av en elektrondubbelprisma för elektron interferometri 30. Men i motsats till de ccEBSD undersökningar i SEM, kräver TEM undersökning framställning av en folie från provet som ändrar de interna påfrestningar på grund av relaxationseffekter.
I framtida studier kommer ccEBSD mätningar även utföras vid låga temperaturer. Detta gör det möjligt för undersökningen struktur, optiska och elektriska egenskaper, inte bara på samma utökade fel, men också vid samma temperatur.
The authors have nothing to disclose.
Support of this work by the German Research Foundation (DFG) within the framework of the Research Training Group 1621 is gratefully acknowledged by Paul Chekhonin. All authors are grateful to Dietmar Temmler (Fraunhofer FEP Dresden) for providing the electron beam processed Si samples showing liquid phase re-crystallisation. Special thanks go to Stefan Saager and Jakob Holfeld for the preparation of the figures for the SEM equipment and the EBSD set-up. We thank Michael Stavola for detailed discussions and help with this work.
cryogenic liquids: | Linde http://www.linde-gas.de, Air Liquide http://www.airliquide.de/ | ||
liquid helium ( LHe ) | for cooling of the cryostat | ||
liquid nitrogen ( LN2 ) | for cooling of the PMT R5509-73 | ||
indium wire | chemPUR http://chempur.de/ | 900898 | CL sample preparation: for good electrical and thermal coupling between cryostat and sample |
mica | plano GmbH http://www.plano-em.de/ | V3 | isolation of EBIC sample holder and good thermal coupling to the cryostat |
aluminium wire, gold wire | chemPUR http://chempur.de/ | 009013, 900891 | purity 99.99 %, material for formation of Schottky contact for EBIC measurements |
Indium-Gallium eutectic solution | Alfa Aesar | 12478 | to form ohmic contact on the backside of the sample for EBIC measurements |
liquid chemicalsVLSI Selectipur (de-ionized water, acetone, ethanol) |
VWR | 52182674, 51152090 |
for sample preparation: cleaning and surface treatment |
hydrofluoric acid | VWR | 1,003,382,500 | necessary to remove surface oxide layer on Silicon samples immediately before investigation; follow safety precautions! |
MicroCloth | Buehler http://www.buehler.com/ | 40-7222 | polishing cloth |
MasterMet 1 (0.02µm) | Buehler http://www.buehler.com/ | 40-6380-006 | SiO2 polishing suspension |
scanning electron microscope (SEM) | Carl Zeiss AG http://www.zeiss.de/microscopy/ | Ultra 55 | field emission gun |
SEM-CL system | EMSystems | Customized, following equipment belongs to CL system: | |
SEM stage for cryostat | Kammrath & Weiss http://www.kammrath-weiss.com | ||
KONTI cryostat | Cryovac http://www.cryovac.de/ | 3-06-4609C-7674 | cooling of sample |
liquid He transfer line for KONTI cryostat | Cryovac http://www.cryovac.de/ | 3-01-3506C-SO | |
cryogenic Temperature Controller | Cryovac http://www.cryovac.de/ | TIC-304 MA | controlling the flow rate of cryogenic |
Photomultiplier Tube (PMT) | Hamamatsu http://www.hamamatsu.com | R5509-73 | for NIR spectral range |
PMT housing and cooler | Hamamatsu http://www.hamamatsu.com | C9940-2 | |
HV power supply | Heinzinger electronic GmbH http://www.heinzinger.de/ | LNC 3000-10 neg | for operating of the PMT |
Monochromator | Sol Instruments Ltd. http://www.solinstruments.com | MS2004i | |
PMT | Hamamatsu http://www.hamamatsu.com | R3896 | for visible spectral range |
CCD digital camera | Proscan GmbH, Proscan Special Instruments Ltd. http://www.proscan.de | HS 101 H | for visible spectral range |
control program | Proscan GmbH, Proscan Special Instruments Ltd. http://www.proscan.de | PSI line | for controlling spectral CL measurements with CCD or PMT detectors |
laptop | Dell | Latitude 110L | hardware for running the control program |
LHe dewar | cryotherm http://www.cryotherm.de/ | Stratos 100 SL | container for cryogenic |
LN2 dewar | container for cryogenic | ||
protective glasses | pulsafe | protective equipment | |
protective gloves | tempex | Protect line Mod. 4081052 | protective equipment |
heating tape | Thermocax Isopad GmbH http://www.isopad-solutions.com | IT-TeMS 6 | to prevent or reduce icing of the flexible hoses during cooling |
diaphragm pump | Vacuubrand GmbH & Co KG http://www.vacuubrand.com | ME4 | to provide the flow rate of the cryogenic |
vacuum accessoires: flexible hoses, seals, locking rings | connectors for cryogenic CL or EBIC set-up | ||
specimen current EBIC amplifier | KE developments / Deben http://deben.co.uk/ | Type 31 | Measuring the EBIC current |
high vacuum chamber with metal evaporation | customized | formation of Schottky contact for EBIC measurements | |
heating plate | Retsch GmbH http://www.retsch.de | SG1 | CL sample preparation |
EBSD detector Nordlys | HKL | no more available; can be replaced by the Oxford EBSD detectors NordlysMax3 or NordlysNano | |
EBSD acquisition and evaluation software Channel 5 | HKL | no more available; can be replaced by the Oxford EBSD Software AZtecHKL | |
ccEBSD program ccEBSD_v1.07.exe | in house written program | for use please contact authors | |
EBSD interface with remote control system | Carl Zeiss AG http://www.zeiss.de/microscopy/ | necessary for the electron beam control and parameter transfer between EBSD system and SEM | |
Vibromet2 | Buehler, http://www.buehler.com/ | 671635160 | vibratory polisher |