隨著半導體材料和微電子器件的快速發(fā)展，對其內(nèi)部缺陷超高分辨無損檢測和分析的需求日益迫切。此前，基于聲、光、電信號響應，已開發(fā)了多種亞表面微結構成像表征技術。其中，電子束因為攜帶巨大動能和電荷，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微米級，是理想的激勵源之一，由此開發(fā)了包括電子束感生電流（EBIC）成像以及多種電子能譜等無損檢測技術，但相關技術或存在分辨率低、或樣品破壞性微加工以及微電極必需等特點，從而給半導體內(nèi)部缺陷評價帶來了相關局限。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所發(fā)展了一種半導體材料內(nèi)部缺陷高分辨顯微成像新技術——非穩(wěn)態(tài)電子束電流成像的掃描熱電容顯微術（Scanning Thermoelectric capacitor microscopy，STeCM）。該方法基于無完整電回路設計，樣品無需破壞性加工和微電極，為半導體材料和器件內(nèi)部的精密探測、失效分析和和高分辨評價提供了新手段。

STeCM技術基于掃描電聲顯微鏡平臺，利用方波調(diào)制電子束作為周期性熱激勵源，在半導體材料內(nèi)部納米尺度微區(qū)原位激發(fā)“熱波”，由于半導體的澤貝克效應，溫差驅動載流子遷移，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程，從而產(chǎn)生周期性電流；通過解調(diào)該電流的高階諧波分量，進而實現(xiàn)半導體材料內(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)在澤貝克效應的感應電流中，最終形成STeCM成像襯度。

掃描熱電容顯微術作為一種非穩(wěn)態(tài)電子束電流成像方法，將為半導體材料、微電子器件內(nèi)部失效分析提供原位、無損、高分辨表征新方法。相關研究成果以“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。相關工作得到了科技部重點研發(fā)計劃和上海市基礎研究特區(qū)計劃等項目的資助和支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0221638

圖1掃描熱電容顯微術（STeCM）的設計原理。（a）該技術采用方波調(diào)制的電子束作用于半導體樣品亞表面微區(qū)，使之循環(huán)加熱和冷卻，從而產(chǎn)生“熱波”；由于半導體樣品的澤貝克效應，溫差驅動載流子遷移，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)會增大界面熱阻，導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）對應的STeCM成像，箭頭標記區(qū)域顯示了亞表面缺陷，而對應圖（b）形貌像未顯示；（d）顯示了STeCM信號與頻率在雙對數(shù)坐標中的線性相關性，與文中理論分析一致。

圖4 STeCM在不同調(diào)制頻率下實現(xiàn)Bi₂Te₃熱電器件內(nèi)部缺陷分層成像。