Caractérisation Électrique avec des Microscopes de Sonde de Lecture

Les Applications comprennent, mais ne sont pas limitées à, analyse de défaillance de semi-conducteur et de dispositifs de stockage de données, profilage bidimensionnel de porteur des dispositifs de semi-conducteur, et études de conductivité de diélectrique, métallique, de polymère, de produits organiques, et de films de semi-conducteur. Cette note d'application discute les techniques et quelques unes de ces beaucoup d'applications plus en détail.

CAFM est une technique de mesure actuelle puissante pour tracer des variations de la conductivité électrique des matériaux (le schéma 3). CAFM peut être appliqué aux matériaux avec la conductivité moyenne (1pA à 1ìA). Le module d'utilisation de CAFM peut être actionné dans la représentation ou le mode de spectroscopie. En mode de représentation, des images du courant électrique sont obtenues, alors qu'en spectroscopie le mode un peut rassembler les spectres courant-tension (IV) ou de l'actuel-force (I-Z).

Le Schéma 3. images de CAFM tracent la conductivité de HfO₂en tant que déposé (parti) et poteau-la recuisent à 700°C (moyen) et à 800°C (droit). Ces plans laisse concevoir, et mesurer la taille et la distribution des points faibles dans le diélectrique. Une couleur Plus Sombre signifie plus à forte intensité par l'extrémité, indiquant une conductivité plus élevée, et ainsi les points faibles dans le diélectrique. Les points faibles apparaissent et prolifèrent lors de l'adoucissement, plus au plus élevé recuisent la température. 500nm balaye le Jasmin Petry, IMEC, Belgique d'accueil.

En mode de représentation, une sonde électriquement conductrice est balayée au-dessus du mode de surface témoin en contact pendant qu'une boucle de contre-réaction maintient le fléchissement de la constante en porte-à-faux tandis que la hauteur locale de l'échantillon est mesurée. Pendant la lecture, l'utilisateur peut appliquer une polarisation de C.C entre l'extrémité et l'échantillon. Un amplificateur de courant linéaire à faible bruit sent réussir actuel donnant droit par l'échantillon pendant que l'image de topographie est simultanément obtenue (voir le schéma 2). Le courant observé peut être utilisé comme mesure pour la conductivité locale ou l'intégrité électrique de l'échantillon à l'étude.

En plus du mode de représentation, CAFM mesure également les spectres locaux courant-tension (IV) ou de l'actuel-force (I-Z) utilisant le mode de spectroscopie. Afin d'obtenir les spectres IV, l'échographie de représentation est cessée et l'extrémité est retenue dans un emplacement fixe tandis que la polarisation d'échantillon est en rampe en haut ou en bas. Le courant donnant droit par l'échantillon est tracé contre la polarisation appliquée (chiffre 3a). Les paramètres Choisis Par L'usager comprennent le début et terminent la tension du rampe, du sens de rampe, des tarifs de rampe, et des temps de retard entre différents rampes. Le logiciel peut enregistrer un seul spectre ou moyenne au-dessus des spectres multiples. Pour quelques mesures, il est désirable de limiter réussir actuel par l'échantillon. Dans ce cas, le logiciel fournit à l'utilisateur une option de « déclencheur », qui arrête le rampe de tension dès que la valeur courante sélectée par utilisateur sera atteinte. Afin d'obtenir des spectres d'I-Z, la polarisation d'échantillon est constante maintenue, alors que le balayeur est déménagé le Z-Sens, assimilée à la mesure du force-déplacement courbe. Le courant donnant droit par l'échantillon est tracé contre la Z-Position du balayeur. De Nouveau, plusieurs paramètres permettent à l'utilisateur d'effectuer et régler des expériences ramping particulières d'I-Z.

Figure 3a. Spectroscopie de CAFM : Courant contre des traçages de la Tension (iv) avec l'extrémité d'AFM positionnée sur les points faibles du film mince (HfO₂). (Moyennes de différents emplacements) indiquez le courant de fuite de mouvement propre relâché avec l'adoucissement, et le courant moyen à une tension donnée accrue après avoir recuit, avec la température d'adoucissement d'augmentation.

Un spectre d'I-Z est affiché sur le schéma 4. Ici le module de CAFM a été utilisé pour étudier le courant sur un échantillon conducteur de polymère en fonction de la force appliquée, ou le fléchissement en porte-à-faux. Le courant électrique, senti par le module de CAFM, est surveillé tout en exécutant un cycle ramping de déplacement normal de force. Le spectre actuel affiche les détails du changement de la conductivité pour le contact de remarque pendant que la sonde établit le contact avec l'échantillon et la force est augmentée.

Le Schéma 4. Force-Déplacement (haut) et spectre d'I-Z (bas) a mesuré simultanément avec le module de CAFM.

CAFM peut être appliqué dans on des zones de recherches et de fabrication pour l'analyse d'un large éventail de matériaux. Il peut également être employé pour localiser et les défauts électriques d'image dans le semi-conducteur et des dispositifs de stockage de données. De plus, CAFM peut être appliqué pour caractériser les polymères conducteurs et d'autres matériaux avec la conductivité non-uniforme, telle que des semimetals, des matériaux de semi-conducteur, des matières organiques conductrices, des nanotubes et d'autres.

Le THON mesure les courants très réduits sur des échantillons de faible-conductivité. Comme avec CAFM, une polarisation de C.C est appliquée entre l'échantillon et l'extrémité conductrice pendant que l'extrémité balaye le mode d'échantillon en contact. Un amplificateur de courant linéaire avec un domaine de 60 fa à la PA 120 sent réussir actuel donnant droit par l'échantillon. De cette façon, la topographie de l'échantillon et le courant sont mesurés simultanément, activant la corrélation directe d'un emplacement d'échantillon avec ses propriétés électriques. Le niveau sonore du module de THON (type. 50 fa) permet à on d'exécuter des mesures actuelles extrêmement sensibles. De plus, le module de THON permet également la mesure locale des spectres courant-tension sur l'échantillon.

La technique de THON est particulièrement utile pour le bilan des films diélectriques minces tels que des oxydes de porte (souvent SiO₂) dans des transistors. Dans le THON, le perçage d'un tunnel actuel de l'extrémité par le film diélectrique dépend fortement de l'épaisseur de film, des chemins de fuite (probablement provoqués par des défauts) et des déroutements de charge. Toute La ces derniers peut de manière significative affecter les propriétés et l'intégrité du film entier, de ce fait compromettant la performance d'un dispositif entier.

Le THON peut être appliqué dans on des zones de recherches ou de fabrication et sur un large éventail de matériaux. Il peut être employé pour étudier la rugosité d'uniformité ou de surface adjacente d'épaisseur des films diélectriques minces, tels que des oxydes de porte. Il peut également être appliqué pour localiser et les défauts électriques d'image dans le semi-conducteur ou des dispositifs de stockage de données. De plus, le THON peut être utilisé pour l'étude des polymères ou des produits organiques conducteurs, et d'autres matériaux faible-conducteurs (tels que des semimetals, des matériaux de semi-conducteur, Etc.). Quelques cas particuliers sont fournis dans la partie de suivre.

Une des phases les plus exigeantes à la fabrication des dispositifs de semi-conducteur est le diélectrique de porte. Les films minces de diélectriques (souvent SiO₂ou diélectriques de haut-k) sont utilisés comme oxydes de porte dans des transistors à effet de champ et en tant que des oxydes et diélectriques de perçage d'un tunnel pour des condensateurs de mémoire comme des dispositifs (DRAM) de mémoire vive dynamique et électriquement de mémoire microprogrammable effaçable et (EEPROM). Structurellement et électriquement l'oxyde homogène est d'importance primaire afin de se conformer aux conditions pour la fiabilité et la stabilité à long terme de la porte et des oxydes de perçage d'un tunnel. Autrement, la dégradation et la panne mènent à la défaillance précoce de dispositif. Même la variation de l'épaisseur d'oxyde dans le domaine d'angström peut avoir une grande incidence sur le comportement électrique du transistor et des blocs de mémoires. Avec l'épaisseur décroissante d'oxyde ce problème devient beaucoup plus sévère. La rugosité de Surface et de surface adjacente ont comme conséquence les gisements croissants d'oxyde et augmentent des courants et Fowler-Nordheim de fuite perçant un tunnel, aboutissant à jeûner dégradation et limitant la graduation des oxydes pour des dispositifs (MOS) de métal-oxyde-semi-conducteur.

La spectroscopie courant-tension de mesure Conventionnelle (IV) et de la capacité-tension (C-V), la microscopie d'émission, (EM) et l'électron technique-macroscopiques de boîte de vitesses (TEM) microscopie-sont inadéquats pour localiser et mesurer le degré d'éclaircissement d'oxyde. Ces méthodes manquent de l'information (non électrique) structurelle exigée de définition ou de mesure seulement. Le THON d'autre part, fournit la résolution spatiale et la sensibilité exigées pour tracer des variations pertinentes d'épaisseur des films diélectriques minces. Une tension de polarisation, appliquée entre l'échantillon et la sonde, provoque un courant de perçage d'un tunnel (par conséquent le nom Perçant Un Tunnel l'AFM) qui dépend fortement des propriétés électriques locales, c.-à-d., l'épaisseur électrique pertinente de l'oxyde. La sonde conductrice, la forme à pellicule d'oxyde à l'étude, et de semi-conducteur de substrat une structure locale de MOS. Généralement, le courant (souvent Fowler-Nordheim) augmente exponentiellement avec un changement linéaire d'épaisseur de film, de ce fait fournissant très une technique sensible de surveiller des variations d'épaisseur.

Le Schéma 5 affiche une suite d'images actuelles de THON prises à différentes tensions de polarisation sur la surface nue de l'à pellicule d'oxyde. On peut de manière dégagée observer l'augmentation du courant lors d'augmenter la tension de polarisation. Les données actuelles prises à la tension la plus élevée (9V) affichent les endroits à forte intensité localisés dans la zone balayée, indiquant la dégradation électrique de l'à pellicule d'oxyde dans ces emplacements.

Le Schéma 5. mesures actuelles de THON prises sur un oxyde épais de porte₂de 5nm SiO aux tensions de polarisation croissantes d'échantillon de gauche à droite : (premiers) 6V, 7V, (bas) 8V, et 9V. échographies de 0.5ìm.

Le logiciel Spécialisé permet également la mesure IV des spectres dans un emplacement unique sur la surface témoin. Le Schéma 6 affiche un spectre IV typique mesuré sur l'oxyde épais de la porte 5nm, obtenu par ramping la tension de polarisation de 0V à 2V. Le spectre affiche la dépendance exponentielle du courant à l'égard la tension de polarisation appliquée. Le THON peut également être utilisé pour surveiller les points faibles et les inhomogénéités des films ou des oxydes diélectriques minces. Des Anomalies de structure sur la surface, ainsi que les inhomogénéités structurelles et électriques dans l'oxyde (par exemple, SiO)₂et à la surface adjacente au substrat (par exemple, SI), peuvent être vérifiées.

Le Schéma 6. spectre IV pris sur un oxyde épais de la porte 5nm. Le spectre a été enregistré tout en ramping la tension de polarisation dès le début (0V) à la tension de fin (2V) avant, et puis arrière.

Le Schéma 7 affiche la topographie et le perçage d'un tunnel simultanément obtenu image actuelle (à la polarisation constante d'échantillon) au passage d'un oxyde de zone à un oxyde épais de la porte 40nm. L'image de topographie affiche (de gauche à droite) l'oxyde de porte, la région de surface adjacente, et l'oxyde de zone. À l'arête entre les deux régions Fowler-Nordheim accru perçant un tunnel le courant est mesuré. Ceci indique l'éclaircissement structurel local de l'oxyde de porte pendant la fabrication de l'oxyde de zone, qui sert de zone isolante entre les régions actives limitrophes.

Le Schéma 7. Topographie (laissée) et image actuelle simultané-obtenue de perçage d'un tunnel (droite) au passage d'un oxyde de zone à un 40nm déclenchent profondément l'oxyde. Au passage le courant de perçage d'un tunnel est augmenté, qui indique l'éclaircissement de l'oxyde de silicium. échographies de 1ìm, 0,5 échelles actuelles de PA. Accueil d'Image A. Olbrich, Infineon, Munich, Allemagne.

Sur le schéma 8, la topographie et les images actuelles de perçage d'un tunnel d'un oxyde épais du tunnel 8.5nm pour un dispositif d'EEPROM sont affichées. L'oxyde de tunnel (SiO₂) est entouré par un oxyde plus épais de zone aux left and right. Les données ont été obtenues à une polarisation d'échantillon de 10V. Considérant Que l'oxyde de zone est trop épais pour afficher n'importe quel courant mesurable à la polarisation donnée d'échantillon, l'oxyde de tunnel affiche des inhomogénéités dans la densité de courant, qui indique des variations de l'épaisseur pertinente d'oxyde.

Le Schéma 8. de bonnes) images actuelles de Topographie (laissée) et de perçage d'un tunnel (d'un 8.5nm percent un tunnel profondément l'oxyde (SiO₂) mesuré à une polarisation d'échantillon de 10V. échographies de 2ìm, échelle actuelle de 200 fa. Accueil d'Image A. Olbrich, Infineon, Munich, Allemagne.

Comme alternative aux blocs de mémoires de mémoire non volatile traditionnels, des souvenirs à accès sélectif magnétiques (MRAMs) sont vérifiés et développés. MRAMs font fonctionner basé sur l'effet magnétorésistant (TMR) de perçage d'un tunnel, et leur part essentielle est une jonction (MIM) de tunnel de métal-isolant-métal. Le fonctionnement Réussi de ces structures exige (exempt des impuretés) un barrage isolant chimiquement homogène, ainsi que des variations minimales de l'épaisseur de barrage. Par Conséquent il est important dans l'espace de résoudre le barrage de tunnel et de l'associer à la magnétorésistance macroscopique de tunnel. Tandis Que les études conventionnelles de la spectroscopie (TEM) de photoélectron de microscopie électronique et de rayon X de boîte de vitesses (XPS) fournissent des informations globales sur l'organisme, la structure de surface-surface adjacente, et la composition chimique atomiques, ces techniques fournissent les informations incomplètes sur la qualité de barrage de tunnel à l'échelle atomique parce qu'elles font la moyenne au-dessus de la profondeur et de la surface. Jusqu'à présent, le THON est la seule méthode qui permet la caractérisation des propriétés électriques locales de ces films avec la définition transversale très élevée. Le Schéma 9 affiche la topographie et le perçage d'un tunnel image actuelle 1.2nm d'une couche épaisse₂d'Al₃O, qui se prête comme isolant très bon pour MRAMs dû à son grand écartement de bande (eV environ 8).

Le Schéma 9. images actuelles de Topographie (laissée) et de perçage d'un tunnel (bonnes) prises sur légèrement un oxyde d'aluminium 1.2nm (film₂d'Al₃O) à une tension de polarisation d'échantillon des échographies de 0.14V 500nm, domaine de courant de PA 5. Accueil A. Olbrich, Infineon, Munich, Allemagne de Données.

Les variations Locales de l'épaisseur électrique pertinente ont comme conséquence les courants élevés - jusqu'à plusieurs ordres de grandeur. Il est à remarquer que le plus souvent, les zones avec le courant accru de perçage d'un tunnel semblent correspondre aux configurations topographiquement élevées.

Une application importante de THON est la localisation et l'identification des défauts électriques en films diélectriques minces. Sur le schéma 10, un film mince₂de SiO a été encastré avec une quantité réglée de points de tranche de temps, qui peuvent être visualisés en tant que petits défauts électriques. Les petits points n'ont pas pu être observés en utilisant la topographie normale de SPM, mais révèlent de manière dégagée dans les données de courant de THON. Lors d'augmenter la tension de polarisation de 1V à 5V, plus de points apparaissent dans les images de courant de THON. Ceci peut être lié à la taille des défauts et à la profondeur des défauts sous la première surface. Cet exemple illustre la possibilité d'utiliser la technique de THON à l'image et localise les défauts électriques sous la surface, ainsi que pour mesurer la taille et la densité de défaut.

Le Schéma 10. Séquence des images de THON obtenues sur un film₂de SiO avec les défauts inclus. La tension de polarisation d'échantillon était de gauche à droite : (premiers) 1V, 2V, (bas) 3V, et 5V. échographie de 1ìm, 1 échelle actuelle de PA. Échantillonne l'accueil S. Madhukar, Motorola, Austin, le Texas.

Une demande différente de THON peut être trouvée dans la caractérisation des films diélectriques minces utilisés dans l'industrie de stockage de données. Un effort continu est visé améliorant les performances et fiabilité des têtes de lecture/écriture (MR) et des medias magnétorésistants de disque. Pour la protection contre la corrosion et l'usure, les disques et les têtes sont généralement enduits d'un film non-conducteur mince de DLC. Le THON peut être employé pour déterminer la qualité de ces films. En appliquant une polarisation au disque ou à la tête, le courant de perçage d'un tunnel est un excellent indicateur des chemins de fuite, des petites inhomogénéités ou des défauts (contaminants électriques, courts circuits, DLC amincissant, Etc.) dans la couche de DLC.

Le Schéma 11 affiche au perçage d'un tunnel des images actuelles de deux M.-têtes avec la couche uniforme. L'image de topographie affiche la petite coordonnée de M. chef, attendu que les données actuelles de THON examinent par le film de DLC et affichent les différentes régions (métalliques) de M. couche défectueuse de indication principale. Les images actuelles de perçage d'un tunnel affiche de manière dégagée les points faibles dans la couche de M. défectueux chef. L'application du THON sur des medias de disque magnétique, couverte de film mince de DLC, est illustrée sur le schéma 12. Les données actuelles topographiques et de THON sont affichées pour deux échantillons, avec une épaisseur différente de DLC-couche. Les affichages d'image gauches que les données ont obtenus sur un disque avec un film mince de DLC. Les données actuelles de THON varient entre environ 0 et 20 PA et affichent une variation spatiale intense marquant avec les brouillons de polissage actuels sur les disques. Les bons affichages d'image que les données ont obtenus sur un disque avec une couche légèrement plus épaisse de DLC.

Le Schéma 11. échographies actuelles de Perçage D'un Tunnel (gauches) a mesuré sur une tête de lecture/écriture magnétorésistante couverte de film diamantaire mince (DLC) de carbone. Image actuelle de Perçage D'un Tunnel (droite) d'une tête assimilée avec la couche défectueuse de DLC. échographies de 20ìm. Échantillonne l'accueil T. Ahmed, Seagate, Minneapolis, Minnesota.

Le Schéma 12. Les échographies actuelles de Perçage D'un Tunnel ont mesuré sur deux medias de disque magnétique couverts (droit.) de film mince (gauche) et légèrement plus épais de DLC. échographies de 0.5ìm, échelle actuelle de la PA 20. Échantillonnez l'accueil J. Leigh, Seagate, Fremont, la Californie.

Le courant de perçage d'un tunnel de moyenne est beaucoup inférieur, correspondant au changement de l'épaisseur de film. En Outre, la corrélation à la morphologie extérieure est beaucoup moins prononcée. Cet exemple illustre comment la technique de THON peut avec succès aider à optimiser l'épaisseur, la composition et les conditions de traitement des films de DLC.

Un Autre groupe important de matériaux pour des applications dans MEMS et microélectronique sont les matériaux piézoélectriques et ferroélectriques. D'intérêt particulier est la DÉCLARATION PROVISOIRE (Sr_XTiO_1-Xde Ba₃), qui sert de diélectrique haut-epsilon dans les blocs de mémoires volatils (MÉMOIRE VIVE DYNAMIQUE) et le PZT (Ti_Xde PbZr_1-XO)₃, qui peut être utilisé dans des blocs de mémoires ferroélectriques. Ces oxydes sont polycristallins, et jusqu'ici la corrélation entre la structure microscopique et leurs propriétés électriques ne sont pas bonne comprise. De Nouveau, le THON peut être une technique utile pour analyser les propriétés locales de ces films. On observe le flux actuel Amélioré est apparent le long des joints de grain, attendu que moins actuel sur différentes textures. Ce comportement peut, par exemple, expliquer le courant non désiré de fuite des condensateurs ferroélectriques fabriqués avec ce type de film.

Les données de THON obtenues sur un 500nm BaTiO épais₃posent, sont affichées sur le schéma 13. On observe un plus à forte intensité à certains des joints de grain, ainsi que le long de quelques plus longues lignes. Une de ces lignes fêlure fêlure est affichée dans l'image actuelle. La présence de ces lignes en cours de haut-fuite peut être expliquée par des phénomènes de stress dans le film imagé. On observe seulement Cet effet dans les données de courant de THON.

Le Schéma 13. Images actuelles de Topographie (laissée) et de perçage d'un tunnel (bonnes) d'un film ferroélectrique₃mince de BaTiO. échographie de 2ìm, échelle actuelle de la PA 2. Échantillonnez l'accueil H. Ruda, Université de Toronto, Canada.

En plus des matériaux minéraux précédemment décrits, le THON a également prouvé à être très utile pour des matières organiques comme les polymères conducteurs. Les données affichées sur le schéma 14 ont été obtenues utilisant les sondes constantes de source faible sur une couche épaisse de vinylene du polyphénylène 100nm (PPV) sur une couche épaisse de la poly-aniline 200nm (PANI). Le PPV est un polymère électroluminescent, qui est rotation-moulage sur une couche conductrice de tampon (PANI) pour faciliter le transport des porteurs de charge. Cet échantillon particulier a eu la couche de PPV partiellement enlevée hors circuit pour activer des mesures de la couche de PANI dessous. La pièce de PPV de l'échantillon est légèrement plus élevée et visible du côté gauche dans l'image de topographie. L'image actuelle correspondante affiche de manière dégagée une conductivité uniformément inférieure du PPV comparé à la couche non homogène de tampon de PANI.

Le Schéma 14. La Topographie (laissée) et images actuelles de THON (les bonnes) d'un 100nm PPV posent sur une couche conductrice de PANI. La tension de polarisation d'échantillon était -6V. échographie de 50ìm. Échantillonnez l'accueil C. Zhang, Uniax, Goleta, la Californie.

Un deuxième exemple conducteur de polymère, avec une résolution spatiale plus élevée, est affiché sur le schéma 15. La technique de CAFM a été employée pour tracer la variation spatiale de la conductivité dans un poly-analine film mince déposé sur un substrat d'Oxyde de Bidon d'Indium. La conductivité relativement élevée de cet échantillon a exigé l'utilisation du module de CAFM, au lieu du module de THON. Les courants observés ont varié entre la PA 0 et 200. L'image de CAFM affiche la conductivité élevée des vastes zones couvertes de PANI, et une conductivité légèrement inférieure pour les endroits plus petits et d'isolement couverts de PANI. Le substrat apparaît comme région faiblement conductrice. La sonde constante de source faible utilisée laisse balayer aux forces très faibles de contact, par conséquent réduisant à un minimum la déformation ou l'usure de ces échantillons relativement mous.

Le Schéma 15. La Topographie (haut) et les images (inférieures) actuelles de CAFM d'un poly-analine film sur un indium étament le substrat d'oxyde. échographie de 2ìm x de 1ìm, échelle actuelle de la PA 200. Échantillonnez l'accueil S. Rane, Université de Chicago, l'Illinois.

La miniaturisation continue des dispositifs de semi-conducteur a représenté un sérieux défi pour des techniques traditionnelles d'analyse de matériaux, telles que la spectrométrie de masse d'ion, (SIMS) le profilage de résistance de propagation, (SRP) et les mesures secondaires de la tension de capacité (C-V). Tandis Que l'exactitude, la fiabilité, et les capacités améliorées de ces instruments constituent la base pour des données actuelles de caractérisation des matériaux, leur limitation unidimensionnelle, incapacité de mesurer des caractéristiques techniques de sub-0.1-mm, et répertoire limité de caractérisation ont augmenté la valeur des techniques de sonde de lecture. Le SCM était l'une des premières techniques de SPM pour réussir à pénétrer son le monde avancé d'analyse de semi-conducteur. Les instruments de SCM peuvent afficher les profils de concentration en porteur dans deux cotes dans des dispositifs de semi-conducteur réels, ainsi que la relation de ces profils aux structures critiques de dispositif. Cette capacité rend le module de SCM utile dans le développement, la fabrication, le test, et l'analyse de défaillance des dispositifs de semi-conducteur.

Dans le SCM, la sonde métallisée forme un condensateur (MIS) de métal-isolant-semi-conducteur avec l'échantillon de semi-conducteur. Un appliqué oblique À C.A. entre l'extrémité d'AFM de contact de lecture et l'échantillon produit des variations de capacité, qui sont surveillées utilisant un senseur résonnant de capacité de gigahertz. Ce système s'est avéré sensible aux variations plus petites que les attofarads (<10^–18F). La variation de capacité (dC/dV) est une mesure de la densité et du type locaux de concentration en porteur (de type n ou de type p), et peut pour cette raison être utilisée pour le profilage bidimensionnel à haute résolution de porteur.

Une des applications les plus importantes du SCM est profilage bidimensionnel de porteur des structures de dispositif de semi-conducteur. Le silicium et les semi-conducteurs composés sont d'intérêt grand. Le profilage Bidimensionnel de dopant est une haute priorité sur le Calendrier de lancement International de Technologie pour des Semi-conducteurs, et on s'attend à ce que devienne une technologie de activation pour la fabrication de la deuxième génération de dispositif. Le SCM fournit la résolution spatiale (au sujet de 10-20nm), et la dynamique (10-10¹⁵²⁰ atoms/cm³) de répondre à ces besoins.

Le Schéma 16 affiche la topographie (est parti) et images de SCM dC/dV (de bonnes) obtenues simultanément sur un transistor crosssectioned d'un compilateur du Pentium II. La topographie affiche

la région de porte avec les deux espaceurs (zones lumineuses), mais n'affiche aucun détail des profils de porteur. L'image de SCM dC/dV affiche les zones différemment dopées du transistor : source, fuite (les implants de haut et de faible-dose sont visibles) et porte. L'image de SCM peut être employée pour extraire des données de valeur telles que la longueur de porte, la profondeur de jonction, ou les petits groupes pertinents sur l'extension transversale et verticale des régions dopées. Excepté SSRM, cette information essentielle n'est pas par accessible aucune autre technique.

Le Schéma 16. Topographie (laissée) et SCM dC/dV (droit) d'un transistor crosssectioned d'un compilateur du Pentium II. échographie de 1.25ìm.

En plus de la représentation, le SCM peut également être employé pour mesurer dC/dV contre des courbures de V en positions sélectées sur l'échantillon. Sur le schéma 17, la polarisation d'échantillon de C.C est en rampe entre deux valeurs userselected, et la sortie de senseur de SCM (dC/dV) est surveillée et tracée. La première courbure a été mesurée sur un échantillon de type n, alors que la courbure inférieure était mesurée sur un échantillon de type p. En Tant Que types prévus et différents résultat dans un signe différent du signe de dC/dV, et résultat différent de niveaux de dopant dans une intensité différente du signe de dC/dV.

Le Schéma 17. dC/dV contre des courbures de V a mesuré avec le SCM sur deux emplacements différents d'un échantillon : de type n, 2x10¹⁷atoms/cm³ (première courbure) et de type p, 3x10¹⁹atoms/cm³(courbure inférieure).

Le Schéma 18 montre la topographie (est parti), l'amplitude (moyenne), et la capacité (droite) de premier métal et la couche corrodée par diélectrique d'une cellule de MÉMOIRE VIVE DYNAMIQUE de Silicium.

Le Schéma 18. Hauteur ou topographie (laissée), amplitude de la Capacité (SCM) dC/dV (moyenne), et images de phase de la Capacité (SCM) dC/dV bonnes) (d'une cellule conventionnelle de MÉMOIRE VIVE DYNAMIQUE de Silicium. De Premières couches en métal et de diélectrique ont été corrodées pour exposer le Silicium. L'image de phase de SCM dC/dV différencie le ptype (couleur lumineuse) et (couleur sombre) les zones dopées de type n. des transistors de npn et de pnp en cellule de MÉMOIRE VIVE DYNAMIQUE alors sont de manière dégagée conçus, permettant l'extraction des paramètres critiques, par exemple, longueur pertinente de porte, et concevant des défauts. L'image d'amplitude de SCM dC/dV affiche l'importance relative de concentration de dopant : la couleur lumineuse signifie une plus grande capacité d'épuisement, et pour cette raison, des zones plus bas dopées (par exemple, zones bonnes d'implant).

Le Schéma 19 montre la capacité (est parti) et la topographie (droite) d'une structure ion-implantée de Silicium se composant d'un implant de type n dans un substrat de type p.

Le Schéma 19. La phase de la Capacité (SCM) dC/dV (gauche) et images de hauteur/topographie (les bonnes) d'un Silicium ion-implanté structurent se composer d'un implant de type n (zones sombres) dans un substrat de type p. On peut observer un implant de type p (plus peu profond) supplémentaire. La structure croix-a été sectionnée par des techniques de polissage normales.

Le SCM est également très un outil de valeur pour l'analyse de défaillance sur des dispositifs de semi-conducteur. La technique de SCM permet la visualisation de si une implantation particulière est caractéristiques actuelles, si c'est le type correct (n ou p), les cotes prévues (en profondeur et transversal), et autres. Un exemple typique d'analyse de défaillance est affiché sur le schéma 20. Une surface transversale a été effectuée par un certain nombre de dispositifs, y compris un connu pour avoir de mauvaises caractéristiques de dispositif électrique. L'image de SCM d'un bon dispositif est affichée dans la première image ; l'image de SCM de la zone correspondante du mauvais dispositif est affichée dans l'image inférieure. L'image inférieure indique que les deux ont implanté des régions (c.-à-d. les zones lumineuses : l'implant de type n et l'implant bon de type n) touchent, attendu qu'ils devraient être séparés entre eux. Ce « court circuit » a eu comme conséquence un courant très élevé de fuite de ce dispositif particulier.

Le Schéma 20. Image de SCM d'un bon (haut) et défaillant dispositif (inférieur) de silicium. Les affichages d'image inférieurs un court circuit entre les deux régions dopées. échographie de 8ìm x de 2ìm.

Les films minces Ferroélectriques sont très attrayants pour leurs applications possibles dans les mémoires non volatiles et des dispositifs microelectromechanical (MEMS). La diminution dans la taille (vers le bas aux dizaines de nanomètres) de ces dispositifs exige une description appropriée des propriétés matérielles et des procédés en films ferroélectriques. Par exemple, elle est principale pour vérifier si les structures ferroélectriques avec des cotes de nanomètre présentent toujours les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques, et pour étudier comment ces propriétés sont affectées par la taille générale. Le SCM est une technique possible pour ces études. Par exemple, le SCM fournit une méthode pour mesurer le signe de la pente de C-V pour l'échantillon ferroélectrique et, par conséquent, le domaine ou la condition de polarisation dans le film mince. Le SCM a été utilisé à l'image et manipule la structure de domaine dans un film ferroélectrique_1.0mince de Pb_0.04(_0.28Ti_0.68de Zr de NOTA:₃ ) O (PNZT). Sur une zone de 25x25ìm, l'extrémité a été balayée avec une tension de polarisation d'échantillon de C.C de -12V et ultérieurement de plus petites zones ont été écrites avec les tensions de polarisation d'échantillon de C.C de la polarité opposée. Une tension de polarisation À C.A. de petit a été utilisée à l'image les régions polarisées, c.-à-d., pour étudier l'importance et le signe de la pente de la courbure de C-V à la polarisation nulle de C.C. Le Schéma 21 affiche l'image de SCM du côté droit et l'image correspondante de topographie d'AFM du côté gauche. L'obscurité et les régions légères de contraste indiquent des régions à l'opposé polarisées, où le signe de dC/dV est de haute résistance mais en face de signe.

Le Schéma 21. Image Topographique (parti) et de SCM dC/dV (droite) d'un film ferroélectrique de PNZT. Les zones Sombres et lumineuses correspondent aux régions à l'opposé polarisées. Les différentes régions de polarisation ont été écrites utilisant le SCM à différentes tailles d'échographie et les tensions de polarisation d'échantillon avant ce SCM balayent. échographie de 25ìm. Accueil Ch d'Échantillon. Ganpul et M. Ramesh, Université du Maryland.

De plus, le SCM peut également mesurer les courbures de polarisation (ou C-V) de petits condensateurs ferroélectriques, ou même des textures ferroélectriques uniques. C'est impossible avec des techniques de sondage conventionnelles. Le Schéma 22 montre la topographie (est parti) et la capacité (droite) de film mince Ferroélectrique sur l'electrode en platine. Considérant Que le schéma 23 affiche environ les mêmes zones que dedans au-dessus des images, mais maintenant avec un C.C 5V appliqué entre l'extrémité et l'échantillon. La tension CC Change la polarisation tels que toutes les textures ont la même condition de polarisation. Et pour finir, le schéma 24 hystérésis d'expositions typique d'un domaine ferroélectrique sur une texture unique avec la spectroscopie localisée de capacité contre la polarisation appliquée de C.C (v).

Le Schéma 22. Hauteur/topographie (laissée) et images de phase de la capacité (SCM) dC/dV (droites) de film mince Ferroélectrique sur l'electrode en platine. L'image de Hauteur affiche la structure granulaire du film mince avec les textures classées par 20-100nm. L'image de phase de SCM dC/dV conditions de polarisation affiche différentes textures des' ; elle est obtenue en appliquant une petite tension CA D'amplitude entre l'extrémité et l'échantillon qui module la capacité à la même fréquence (la tension CC Est maintenue à 0V pour ne pas changer la condition de polarisation par la présence de l'extrémité d'AFM). La condition de polarisation Ferroélectrique est déterminée par la mesure de charge exécutée dans le SCM. La définition de la technique de SCM permet à on d'observer des variations dans les textures uniques.

Le Schéma 23. Environ les mêmes zones que dedans au-dessus des images, mais maintenant avec un C.C 5V se sont appliquées entre l'extrémité et l'échantillon. La tension CC Change la polarisation tels que toutes les textures ont la même condition de polarisation.

Le Schéma 24. La spectroscopie Localisée de capacité (exclusivité au SCM) dC/dV contre la polarisation appliquée de C.C (v) sur une texture unique affiche l'hystérésis typique d'un domaine ferroélectrique. Les données peuvent être intégrées une fois pour obtenir une Capacité contre la courbure de polarisation de C.C, et pour obtenir deux fois une Polarisation relative contre la courbure de polarisation de C.C.

Tandis Que la sonde est balayée en travers de la coupe transversale du dispositif de semi-conducteur, la résistance électrique est mesurée entre l'extrémité conductrice et un grand courant rassemblant de retour le contact. Quand la force appliquée dépasse une certaine force de seuil, la résistance mesurée est dominée par la résistance de propagation. Sur des structures de SI, des forces élevées (type, quelque ìN) sont exigées afin de pénétrer l'oxyde indigène et déterminer un contact électrique stable. Puisque les sondes normales d'AFM déforment à ces forces élevées, le diamant dopé ou les sondes diamant-enduites de silicium sont utilisés. La dureté extrême, le module De Young élevé, et la conductivité électrique obtenue par le dopage rendent le diamant particulièrement adapté pour l'usage comme matériau de couche d'extrémité de SSRM.

Sur le schéma 25, l'analyse a été exécutée sur une structure de transistor de SI DMOS. La structure de transistor croix-a été sectionnée pour exposer les régions différemment dopées, et puis polie utilisant des techniques de polissage normales. L'image topographique (laissée) affiche bien clair l'Al-Contact (région noire), l'oxyde fondamental (brun) et le polysilicium et l'oxyde fondamental de porte. L'image de résistance de SSRM (droite) affiche les régions électriquement actives. Les différentes couleurs réfléchissent différents niveaux de la résistivité : l'obscurité indique des régions hautement conductrices, et lumineux indique la conductivité faible. De Manière Dégagée observable sont le n - substrat⁺fortement dopé (noir) ; la n-épicouche dopée inférieure (brun sombre) ; le p⁺- fuselage (qui apparaît comme hautement résistif), le n⁺- implant (noir), le métal et les régions d'oxyde, ainsi que le matériau hautement conducteur de polysilicium. Les positions de Jonction correspondent au passage tranchant entre les niveaux variés de couleur.

Le Schéma 25. Bonnes) échographies de Topographie (laissée) et de résistance (d'un transistor croix-en coupe de SI DMOS. accueil IMEC, Belgique d'échographie de 12ìm.

Le Schéma 26 montre une image de SSRM d'un condensateur croix-en coupe comportant un métal pensent la zone de film avec le diélectrique entre elles. Les images de SSRM sont souvent complémentaires aux images de SCM, car les images de SCM ne donnent aucun signe sur des diélectriques et des métaux, attendu que SSRM affiche un grand contraste entre les deux.

Le Schéma 26. Images de hauteur et de résistance de SSRM de condensateur crosssectioned. Le condensateur a la zone de film mince en métal avec le diélectrique entre elles. S'il y avait des chemins de fuite entre les différents contacts électriques, l'image de résistance les afficherait (aucun trouvé dans cette image).

Dans un deuxième exemple (le schéma 27), la représentation de SSRM a été exécutée sur un TRANSISTOR MOSFET de silicium avec une longueur de porte de 0.25ìm. L'image (laissée) affiche les régions différemment dopées - source, fuite, et porte - en tant que zones hautement conductrices (sombres), diélectrique et substrat comme zones de faible-conductivité, ainsi que la zone intermédiaire conductrice. On observe la source et les jonctions de fuite en tant que légèrement, les lignes lumineuses de la conductivité faible. Une partie effectuée par la région de source du transistor est également affichée sur le schéma 27 (droit). La partie affiche de gauche à droite : la couche supérieure, l'implant de source (de type p), la crête de jonction, le puits (de type n), et le substrat diélectriques. La profondeur de jonction peut facilement être extraite de cette partie comme distance entre la crête de jonction et la couche supérieure diélectrique, et s'avère 184nm.

Le Schéma 27. Échographie de résistance de SSRM d'un transistor croix-en coupe de TRANSISTOR MOSFET de silicium de 0.25ìm. accueil IMEC, Belgique d'échographie de 2ìm.

En plus du silicium, les semi-conducteurs composés sont également d'intérêt grand. Les LED, les détecteurs photoélectriques, et les lasers de diode sont seulement quelques uns des nombreux dispositifs fabriqués des semi-conducteurs d'III-V et d'II-VI. La Connaissance de la distribution bidimensionnelle de la conductivité (les atomes électrique-actifs de dopant en particulier) est importante pour le développement de processus et la surveillance. Pour les semi-conducteurs composés, la préparation des échantillons est minimale ; le fendage simple fournit la meilleure surface sur les échantillons complexes, et permet la représentation des propriétés critiques de dispositif après seulement compte rendu de préparation des échantillons. Le Métal et les extrémités plaquées de métal de silicium s'avèrent suffisamment rigides pour des mesures stables et reproductibles de SSRM. Pour le bon taux de signal-bruit, une tension de polarisation relativement élevée (plusieurs volts) en combination avec une pression moyenne de sonde (sous ìN) est exigée. Un exemple du profilage à haute résolution de densité de porteur disponible avec SSRM peut être vu dans l'hétérostructure INP-basée croix-en coupe représentée sur le schéma 28.

Le Schéma 28. Topographie (laissée) et échographie de résistance de SSRM bonne) (d'une hétérostructure INP-basée. échographies de 7ìm. Échantillonnez l'accueil de M. Geva, Lucent Technologies, Breinigsville, PA.

L'image de résistance affiche les différentes régions de l'hétérostructure : couches de type n de type p et S-Dopées Zn-Dopées alternatives avec différentes valeurs d'épaisseur. L'image indique la nature bidimensionnelle des couches vers la zone de MESA. Cet exemple explique l'alimentation électrique analytique de SSRM dans la représentation bidimensionnelle des distributions de porteur en structures de semi-conducteur composé, et en particulier, pour l'analyse des hétérostructures d'INP, une zone qui est gain de grand intérêt.

SSRM peut également être utilisé pour étudier les propriétés électriques des matériaux de nonsemiconductor. Ceci comprend des demandes de métaux, de semimetals, de polymères conducteurs, et d'autres matériaux intermédiaire conducteurs. Pour la performance optimale, les différents matériaux exigent souvent différents points de réglage de matériau et de force de sonde. Dans l'exemple sur le schéma 29, un film de Cu est imagé. On observe de manière dégagée la structure granulaire du film dans les données topographiques. Les données de résistance de SSRM prouvent que la résistivité des textures est plus élevée vers les arêtes, par rapport au centre des textures. Notez que le grosseur du grain moyen est 30nm, et la résolution spatiale est sur l'ordre de 5nm.

Le Schéma 29. Topographie (laissée) et échographie de résistance de SSRM bonne) (d'un de film métallique granulaire. échographies 500nm.