蔡司掃描電鏡在第三代半導體領(lǐng)域的應(yīng)用成果

掃描電子顯微鏡-電子通道對比成像（SEM-ECCI）是在掃描電子顯微鏡下直接表征晶體材料內(nèi)部缺陷的技術(shù)。SEM-ECCI技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取代了透射電子顯微鏡（TEM）在缺陷表征領(lǐng)域的部分功能。與TEM分析相比，它提供了更高的吞吐量、更快的效率分析解決方案，并且具有更強的統(tǒng)計意義。

于該技術(shù)成像效率高，制樣過程簡單、無損，近年來在金屬材料、化合物半導體等領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，也受到了越來越多的關(guān)注。

氮化鎵異質(zhì)結(jié)中穿線和失配位錯的電子通道襯度成像分析。

異質(zhì)外延生長的GaN/AlGaN薄膜材料廣泛應(yīng)用于光子學、電力電子學和微波射頻器件中。隨著GaN器件的小型化，其薄膜材料中位錯缺陷的種類、面密度和分布已嚴重限制了器件的性能和可靠性。如何在不破壞薄膜材料的前提下精確表征GaN和GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中的位錯缺陷仍是一個很大的挑戰(zhàn)。

中國科學院蘇州納米研究所研究員范士釗，等基于蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡溝道對比成像技術(shù)（ECCI）成功地分析了邊緣位錯、螺旋位錯和混合位錯的表面密度，并首次在GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中觀察到。脫臼半環(huán)和位錯滑移現(xiàn)象。

研究人員使用蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡獲得了GaN薄膜材料的菊池圖案（圖1）。通過系統(tǒng)地分析菊池晶帶與垂直晶面和傾斜晶面的對應(yīng)關(guān)系，準確地選擇布拉格衍射條件，并將其用于位錯通道襯度成像。

▲ （a）GaN薄膜的菊池花樣及由電子束衍射的運動學理論計算得出的（b）垂直晶面和（c）傾斜晶面的菊池晶帶分布圖

通過比較不同雙光束衍射條件下同一區(qū)域內(nèi)位錯對比度演化規(guī)律，將消光判據(jù)和位錯對比度分布方向判據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)了位錯Burgers矢量的確定（圖2）。此外，通過分析基于電子通道襯度技術(shù)直接獲得的位錯類型比例和基于X射線衍射方法間接獲得的位錯類型比例，確定了電子通道襯度成像技術(shù)在分析混合位錯方面的獨特優(yōu)勢。

▲ 圖2.同一區(qū)域GaN薄膜在不同雙束衍射條件下的通道襯度成像及位錯類型判定

最后，利用電子通道對比度成像技術(shù)對GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面進行了直接測試，首次觀察到位錯半環(huán)，發(fā)現(xiàn)大量混合位錯在界面處彎曲形成錯位位錯(圖3)。通過分析位錯彎曲的晶體學方向，發(fā)現(xiàn)在界面處存在位錯滑移現(xiàn)象，為GaN器件的失效機理拓展了新的研究方向。

▲ 圖3. GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)的通道襯度成像及位錯滑移體系的判定

審核編輯 黃宇