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.
人们已经知道了几十年了扩展缺陷施加半导体材料1-3的电子结构的影响。上的电子设备和其他应用,例如传感器和太阳能电池材料的性能扩展缺陷的效果是根据广泛的实验和理论研究。然而,不存在对半导体的电子状态中的扩展缺陷的存在的计算一般接受的理论。这是由于电子结构计算的从理想晶格偏差的情况下,也向有关的种类和扩展缺陷的结构的大的多样性,以及它们之间,并与O形暗淡内在和可能的组合的复杂性外在缺陷。
主要类型的扩展缺陷是位错(1维缺陷)和晶界(2维缺陷)。在下面,我们共同在可在扫描电子显微镜(SEM)进行的实验中的术语ncentrate上这两种类型的扩展缺陷的。这里介绍的实验方法得到约扩展缺陷的结构,光学和电特性,因此,在含有扩展缺陷的半导体材料的电子态的间接知识信息。缺陷相关的电子态的控制是用于半导体的应用和半导体器件的操作的核心问题。
为扩展缺陷的结构的调查,电子背散射衍射(EBSD)技术都可以应用。通常,一个EBSD测定通过点映射与在每个点处的固定的电子束进行。 EBSD然后产生关于在与多晶材料的晶粒的单晶材料的情况下的样品的晶格的结晶取向的信息。佛R,它将目的由菊池线形成的实验确定的衍射图案必须通过与来自结晶空间群的材料的确定模拟图案比较来进行分析。如果为定向数据的评估的软件能够计算相邻的映射点的晶体学坐标系之间的取向差角,在它们之间的晶界的类型可被确定。如果取向差角小于15°,以低角度晶界(LAGB)的存在;否则它是一个大角度晶界(逐渐增强)。类型逐渐增强的特点是它的Σ值其中Σ-1晶格点躺在巧合晶格的部分。因此,Σ= 3代表的高度对称孪晶界4。如果在样品表面的两个平面的EBSD映射可以与映射的位置的精确知识,晶界平面w的类型来测量第i米勒指数的hkl也可以通过由兰德尔5提出了一种方法进行评价。
最近,对于电子衍射图案的评价的新程序由威尔金森等人的。6,它允许完全局部应变张量的所有分量,计算即 ,三个正应变的绝对值三个剪切应变组件。这种计算对每个测量点相对于具有相同的晶体取向上的无应变晶体区所取的参考图案进行在映射从相应衍射图案。该评估程序是基于使用的互相关技术,它给人的名字ccEBSD的电子背散射衍射图案特征的小变化的决心。相对于一个选定的参考点时,应变分量和晶格旋转可以为10 -4和0.006&#精度来测量176 ;,分别为7。管线施加ccEBSD测量跨晶粒边界扫描,或沿位错的安排,可以在本地确定的数量以及这些扩展缺陷的应变场的范围内。
位错和晶界的光学性质可通过光谱和成像阴极(CL)的技术来研究。发光信号由在半导体材料由SEM的一次电子束产生电子 – 空穴对的辐射复合引起的。的发光强度正比于辐射复合效率即总少数载流子寿命的放射性复合的时间的比率。当此比率由缺陷局部的影响,在发光分布的对比度可在CL图像观察到。正常情况下,延长缺陷作为非辐射复合中心,因此,第l从带波段重组uminescence在扩展缺陷的附近相比于不受干扰半导体降低。然而,在硅,锗和一些化合物半导体材料,在位错以及晶界上的情况下,特性发光频带观察表示光子能量比(直接或非直接)带 – 能带重组下在散装材料8-10。作为一个例子,键合的硅晶片,并通过关口和同事11-13多结晶硅的广泛的CL调查显示,位错和LAGBs负责在带隙浅和深能级的发生。相应的辐射跃迁被表示为在CL光谱D谱线。然而,伴随着和由氧沉淀和过渡金属杂质位错的安排错位污染的应变场的作用仍有争议的interpretatD线发光的离子。但是,如果发光线到一个不同的扩展缺陷的能量位置的分配可以成功地制成,然后在发光光谱此特定线的发生可以作为这一缺陷的存在的信号。以增加的发光强度, 即 ,相对于非辐射一项所述的辐射复合,CL调查具有在低温(冷冻CL)与间接带结构的半导体材料来进行。
这里考虑的扩展缺陷的电特性被成像在SEM的电子束感生电流(EBIC),其特征。当由一次电子束产生电子 – 空穴对被内置的电场分离,可以观察到这个电流。可以通过扩展缺陷本身的电势或通过样品表面上的肖特基接触生成该字段。该EBIC图像对比从电荷收集效率的局部变化的结果是由于在电活性缺陷的变化的重组行为。的扩展缺陷通常显示出增加的载流子复合,以使其显示在比无缺陷区域的EBIC图像变暗。在缺陷14基于物理模型的框架内,在空间的EBIC信号,这是所谓的对比度信息,的相关性的定量评价使少数载流子扩散长度和寿命的测定,以及在表面复合速度。因为这些参数是依赖于温度,EBIC调查应也可在低温(冷冻EBIC)进行,以获得增强的信噪比。备选地,依赖于温度的EBIC测量根据其提出Kittler和同事15,16模型启用的深能级杂质浓度的测定在位错。
<p clasS =“jove_content”>应当注意的是,扩展缺陷的半导体的光学和电学性质可以通过污染和由0-昏暗征缺陷17不能用扫描电子显微镜来解决显著影响。然而,该实验方法,ccEBSD,CL和EBIC相结合,提供了可视化的扩展缺陷和在SEM量化其基本特性的机会。对于未来的应用中,不仅故障分析,而且缺陷控制和缺陷工程的目的,这个强大的工具将在半导体器件性能的提高具有重要作用。扫描电镜提供定位的扩展缺陷的半导体材料以及由ccEBSD,CL和EBIC调查的应用来表征它们的结构,光学和电学性质的可能性。在一般情况下,这是不可能在同一个样品同时执行所有三种方法。然而,通过不同的互补调查方法获得的结果的组合,在一个合理的顺序执行时,导致引起的扩展缺陷的影响的物理性质的更深入的了解。
为CL测量给出关于扩展缺陷的光学特性的信息,在协议中的一个关键步骤是将样品定位过程(步骤1.6),由于与样品中的缺陷不期望的退火的铟箔的加热期间(这确保了良好的样品的热和电接触与样本保持器)。提出的程序的替代是将样品安装到在RT由导电银膏中的样品架。然而,从经验它是公知的,在浆料中的有机溶剂可以在SEM的扫描过程中导致样品表面上的碳污染。污染恶化的CL图像的质量以及的EBSD衍射图案。此外,步骤4.21,需要特别注意,样品的冷却下来时可能发生的硅的发光强度的突然上升。这可能会损害光电倍增管的性能。相反,对于实际的样品意外低发光强度的情况下,应尽量提高聚光镜(协议号4.23)的调整,因为初步镜对准于测试样品在RT中进行稍有不同的波长范围。
关于该方法的仪器的局限性,人们必须考虑到,在非常低的TEMPERATURES与样品台上只有±5毫米的x方向和y方向这限制所调查的样品的区域移动。这种限制是由于他传输管的脆性断裂的危险。为在1.1和1.2给出低温实验样品的尺寸也由实验条件的限制。所以样品的表面积应调整到样品保持器的尺寸,以确保在散热片上的最佳热接触。硅样品的低推荐厚度限制了样品的低温实验中的温度梯度。为200μm的样品的厚度,用于在表面区域的主电子的相互作用体积的中心温度被发现相比于在样品保持器的表面测得的温度将增加小于5 K.。高扫描速度,只有在步骤4.5和4.17提出了降温过程中的低倍率,确保日感兴趣Ë区域保持清洁。这是因为通过其保持的温度始终略高于其充当在SEM室中冷凝阱残余气体样品区域的其余部分的温度的扫描电子束的热传递。通常,在步骤4.24对应于CL光谱中列出的所有参数都在体硅通过根据设备列表设置实验所谓D线发光的测量优化。的参数必须适应如果发光的调查是要在其它半导体材料进行。
独立观察发光的能量范围的,因为光从辐射复合过程来在整个重组体积被反射镜收集并因而从聚光镜CL测量结果的进一步局限性决定了对应的灰度值CL图像像素是分配编到样品表面上的电子束的位置。因为重组体积(这是相媲美的激发体积)的直径比,即使在低倍率的象素尺寸较大,这种效应导致的发光信号的空间的污点,并因此限制了空间分辨率。尽管如此,CL调查使单或全色发光的局部分布具有中等光谱分辨率的成像和可与光致发光的调查进行组合以得到更高的光谱分辨率。最近,作为一种替代的实验方法于CL测量,位错有关的光致发光的显微镜和光谱映射已提出的组田岛和同事26的。光致发光的映射的空间分辨率比CL图像清楚地低,但光致发光的调查还允许深能级发射带CORRE的偏振迟来位错在与扭曲和倾斜结构27,28 LAGBs确定。
在EBIC调查,其中给洞察扩展缺陷的电特性的情况下,存在用于在半导体材料的局部变化的电荷收集效率与同等的空间分辨率的成像没有替代方法。然而,同样对于EBIC测量,关键步骤包括在协议。所以,在步骤5.13,随着温度的降低该EBIC图像的变化,预计从扩展缺陷的温度依赖特性出现。然而,触头的质量可以在温度低于室温改变,从而影响了EBIC图像。温度影响,因为热膨胀从硅片分离的接触层中的不同系数的肖特基接触,与Al的适当层中的p型的情况下,并用Au在n型硅的情况下作出,N衬底。此外,通过镓 – 铟共晶制成的欧姆接触没有在温度低于160 K.通常稳定,接触质量的降低导致了大面积强烈降低EBIC信号。在这种情况下,触头必须被更新。在RT EBIC调查,还可以想到,对于EBSD测量中的接触可以通过将样品粘接到适当的载体板制成。 EBIC测量的另一工具限制是由接触尖端持有样品表面上方的突出造成的。为了防止接触尖端保持架和磁极片SEM的WD应至少为15毫米之间的碰撞。
在其可以被用来估计扩展缺陷的长程应变场ccEBSD调查的实验程序,以下的步骤是关键的。实验的最具挑战性的部分是样品制备,尤其是最后的抛光步骤(第rotocol号3.1),它具有必须仔细进行,以避免额外的表面缺陷的产生。如果不能得到菊池图案,样品表面的通常的质量是不够的。然而,从硅单结晶用的塑性变形后的表面上滑移线,一个良好的衍射图案可以得到这是非常适合的ccEBSD评价程序。这些样品的表面粗糙度用原子力显微镜产生为至多500纳米的范围内的高度变化进行分析。因此,非常高的内部应变或无定形表面层似乎是负责模糊衍射图案,而不是在样品表面的不完善平滑度。另一个问题可能是从相干散射电子的低信号相比于背景。然后在恒定加速电压和/或背景信号的更精确的测定(协议步骤号6.12)一个增加探针电流的再有帮助。到持久ccEBSD测量期间最小化样本移动时,建议以机械地固定样品(协议号3.2)。
如果相对于入射电子束在样品表面的倾斜是由该级的倾斜实现可能出现为ccEBSD调查工具的限制。有那么对于该样品的运动由于与极片和腔室壁碰撞风险强限制。此外,强烈建议只使用线扫描是平行于倾斜轴(因此SEM屏幕上水平出现),因为,首先,垂直扫描有内部株一大笔错误,由于样本的误差倾斜。第二,EBSD期间,横向分辨率越高沿不是垂直于它的倾斜轴线(约3为70°倾斜系数)。用于从ccEBSD调查对于硅算出的应变张量分量的值的下限为约2×10 -4这是随机错误。此外,必须强调的是,ccEBSD技术不能在大的晶格旋转(> 4°)参照的基准点或非常接近晶界,其中来自不同的晶粒的EBSD图案重叠的存在下使用。关于应变测定的空间分辨率的ccEBSD调查的物理限制是由于其被认为是沿着样品倾斜轴线约为50nm的电子衍射的范围内。在用X射线衍射实验内部应变的测定相比较,这是因为,即使在X射线μ-衍射的情况下,X射线的显著较大相互作用空间的一个明显的优势。对于半导体材料,各向同性折射率扰动被polarscope调查也可以适用于内部应力的测定,但这种方法的空间分辨率低于几百纳米的29。在晶体的空间分辨三维应变状态的判定的另一种方法是基于高阶劳厄区域(HOLZ)行分割。该方法在使用电子干涉30的电子双棱镜的透射电子显微镜(TEM)来进行。然而,与此相反在SEM的ccEBSD调查,TEM研究需要箔从改变由于放松效果内部菌株样品的制备。
在今后的研究中,ccEBSD测量也将在较低的温度下进行。这将允许调查的结构,光学和电性能,不仅在相同的扩展缺陷,而且在相同的温度。
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 |