スキャンのプローブの顕微鏡との電気性格描写

アプリケーションは含んでいますが、に、半導体およびデータ記憶装置の障害の分析、半導体デバイスの二次元にキャリアの側面図を描くこと、および誘電体、金属、ポリマー、有機物および半導体のフィルムの伝導性の調査限定されません。 このアプリケーションノートは技術および少数をのこれらの多くのアプリケーションさらに詳しく論議します。

CAFM は材料 (図 3) の電気伝導率の変化をマップするための強力な現在の測定技術です。 CAFM は中型の伝導性 (1pA への 1ìA) の材料に適用することができます。 CAFM の応用モジュールはイメージ投射か分光学のモードで作動させることができます。 イメージ投射モードでは、電流の画像は分光学でモード 1 は現在電圧 (IV) または現在力 (I-Z) スペクトルを集めることができるが、得られます。

図 3. CAFM の画像は沈殿させるとして HfO の₂伝導性を (去られる) マップし、 700°C (中間) および 800°C で後アニールします (右の)。 これらのマップは視覚化し、誘電体の弱点のサイズそして分布を量を示すことを割り当てます。 暗い色は先端によってより高い流れを意味しま、誘電体のより高い伝導性およびこうして弱点を明記します。 弱点はアニーリング、より高いのの多くにアニールします温度を現れ、増殖します。 500nm は礼儀の Jasmin Petry、 IMEC、ベルギーをスキャンします。

イメージ投射モードでは、電気で伝導性のプローブは接触モードのサンプル表面にサンプルのローカル高さが測定される間、フィードバックループが片持梁定数の偏向を保つと同時にスキャンされます。 スキャンの間に、ユーザーは先端とサンプル間の DC バイアスを適用できます。 低雑音の線形現在のアンプは地形の画像が同時に得られると同時にサンプルを生じる現在に通ることを感じます (図 2) を見て下さい。 観察された流れは調査の下のサンプルのローカル伝導性か電気保全のために測定として使用することができます。

イメージ投射モードに加えて、 CAFM はまた分光学のモードを使用してローカル現在の電圧 (IV) または現在力 (I-Z) スペクトルを測定します。 IV スペクトルを得るためには、イメージ投射スキャンは停止し、サンプルバイアスが上下に増加している間、先端は固定排置で保持されます。 サンプルを通した生じる流れは応用バイアス (図 3a) 対計画されます。 ユーザが選択できするパラメータは開始が含まれ、個々の傾斜路間の傾斜路、傾斜路の方向、傾斜路レートおよび遅延時の電圧を終了します。 ソフトウェアは多重スペクトル上の単一スペクトルか平均を記録できます。 ある測定のために、サンプルを現在に通ることを限定することは好ましいです。 この場合、ソフトウェアは電圧傾斜路を停止する 「トリガー」オプションをユーザー指定現在の値が達されるとすぐユーザーに与えます。 I-Z スペクトルを得るため、サンプルバイアスはスキャンナーは Z 方向で移動されるが力変位の測定と同じような保たれた定数、曲がりますです。 サンプルを通した生じる流れはスキャンナーの Z 位置対計画されます。 再度、複数のパラメータはユーザーが特定の I-Z の ramping 実験を行い、制御することを可能にします。

3a を計算して下さい。 CAFM の分光学: 流れ対薄膜 (HfO) の弱点で置かれる AFM の先端の電圧 (iv)₂プロット。 (異なった位置からの平均) アニーリングと、および、増加のアニーリングの温度との焼きなましの後で高められるある特定の電圧で平均流れを落ちる背景の漏出流れ明らかにして下さい。

I-Z スペクトルは図 4. で表示されます。 ここに CAFM のモジュールが応用力の機能として伝導性ポリマーサンプルの流れ、か片持梁偏向を調査するのに使用されました。 CAFM のモジュールによって感じられる電流は標準力の変位の ramping サイクルを行っている間監視されます。 現在のスペクトルはプローブがサンプルが付いている接触をし、力が高められると同時にポイント接触のための伝導性の変更の細部を表示します。

図 4. 力変位 (上) はおよび I-Z スペクトル (底) CAFM のモジュールによって同時に測定しました。

CAFM は多数で材料の広い範囲の分析のための研究および製造領域適用することができます。 集中するのにまたそれが半導体およびデータ記憶装置の画像の電気欠陥使用し。 さらに semimetals、半導体材料、伝導性の有機材料、 nanotubes および他のような均一でない伝導性の伝導性ポリマーそして他の材料を、特徴付けるために、 CAFM は適用することができます。

マグロは低伝導性のサンプルの超低い流れを測定します。 CAFM と同じように、 DC バイアスは先端が接触モードのサンプルをスキャンしていると同時にサンプルと伝導性の先端間で応用です。 60 fA への 120 pA の範囲が付いている線形現在のアンプはサンプルを生じる現在に通ることを感じます。 このように、サンプルの地形および流れは同時に測定され、電気特性とのサンプル位置の直接的な相関関係を可能にします。 マグロのモジュール (typ の騒音レベル。 50 fA は) 1 つが非常に敏感な現在の測定を行うようにします。 さらに、マグロのモジュールはまたサンプルの現在電圧スペクトルのローカル測定を可能にします。

マグロの技術はトランジスターにゲートの酸化物 (頻繁に SiO) のような薄い誘電性のフィルムの評価のために₂特に有用です。 マグロでは、先端から誘電性のフィルムを通した現在にトンネルを掘ることはフィルム厚さ、漏出経路 (多分欠陥によって引き起こされる) および料金のトラップによって強く決まります。 従ってこれらすべてはかなり全フィルムの特性そして保全に影響を与えるかもしれ全体の装置のパフォーマンスを妥協します。

マグロは多数で研究または製造領域そして材料の広い範囲で加えることができます。 それがゲートの酸化物のような薄い誘電性のフィルムの厚さ均等性またはインターフェイス荒さを、調査するのに使用することができます。 それはまた集中するために半導体またはデータ記憶装置の画像の電気欠陥適用し。 さらに、マグロは伝導性ポリマーまたは有機物の調査、および他の低伝導性材料に使用することができます (semimetals、半導体材料、等のような)。 ある典型的な例は続セクションで提供されます。

半導体デバイスの製造業の最もデマンドが高いステップの 1 つはゲートの誘電体です。 薄い誘電体のフィルム (頻繁に SiO₂か高k 誘電体) はダイナミック RAM および電気で消去可能な、プログラム可能読み取り専用メモリ (EEPROM) 装置のようなメモリコンデンサーのためにゲートの酸化物 (DRAM)とトンネルを掘る酸化物および誘電体電界効果トランジスタで使用されます。 構造的にそして電気で同質な酸化物は一次重要性をおよびトンネルを掘る酸化物ゲートの信頼性そして長期にわたる安定性のための条件に従うこともちます。 さもなければ、劣化および故障は早い装置障害の原因となります。 オングストロームの範囲の酸化物の厚さの変化はトランジスターおよびメモリデバイスの電気動作の大きい影響があることができます。 減少した酸化物の厚さによってこの問題ははるかに厳しくなります。 表面およびインターフェイス荒さは増加する酸化物フィールドで起因し、金属酸化物半導体装置のための酸化物のスケーリングをトンネルを掘り、絶食するために導き、劣化そして限定する漏出流れおよび野鳥捕獲者Nordheim を (MOS)高めます。

慣習的な測定の技術マクロスコピック現在の電圧 (IV) およびキャパシタンス電圧 (C-V)分光学、放出顕微鏡検査 (EM)および伝達電子は (TEM)酸化物の薄くなることのある程度を見つけ、測定するために不十分顕微鏡検査です。 これらの方法は必須の解像度または測定構造 (電気) 情報だけ欠けています。 一方ではマグロは、薄い誘電性のフィルムの有効な厚さの変化をマップするために必要な空間分解能および感度を提供します。 サンプルとプローブの間で適用されるバイアス電圧はローカル電気特性、酸化物のすなわち、有効な電気厚さによって強く決まるトンネルを掘る流れ (それ故に AFM にトンネルを掘る名前) をもたらします。 伝導性のプローブ、酸化膜調査中の、および半導体の基板形式ローカル MOS の構造。 通常従って、流れ (頻繁に野鳥捕獲者Nordheim) はフィルム厚さの線形変更と指数関数的に増加しま、モニタの厚さの変化に非常に敏感な技術を提供します。

図 5 は一連のマグロに酸化膜の裸の表面の異なったバイアス電圧で撮られる現在の画像を示します。 1 つはバイアス電圧を高めた上ではっきり流れの増加を観察できます。 最も高い電圧 (9V) で取られる現在のデータはこれらの位置の酸化膜の電気故障を明記するスキャンされた領域で集中させた高現在の点を示します。

増加するサンプルバイアス電圧で左から右へ取られる 5nm 厚い SiO の₂ゲートの酸化物の図 5. マグロの現在の測定: (上) 6V、 7V、 (底) 8V、および 9V。 0.5ìm スキャン。

専門にされたソフトウェアはまた IV サンプル表面の単一の位置のスペクトルの測定を可能にします。 図 6 は 0V ramping によってからの 2V にバイアス電圧を得られる 5nm 厚いゲートの酸化物で測定される典型的な IV スペクトルを示します。 スペクトルは応用バイアス電圧への流れの指数依存を示します。 マグロはまた薄い誘電性のフィルムまたは酸化物の弱点そして異種を監視するために用いることができます。 表面の構造欠陥、また酸化物 (例えば、 SiO) 内のそして基板 (₂例えば、 Si) へのインターフェイスの構造および電気異種は、調査することができます。

取られる 5nm 厚いゲートの酸化物の図 6. IV スペクトル。 次にスペクトルは前方終わりの電圧 (2V) へのバイアス電圧 (0V) を初めから ramping 間背部記録され。

図 7 はフィールド酸化物からの 40nm 厚いゲートの酸化物への転移で地形および同時に得られたトンネルを掘ることを現在の画像 (一定したサンプルバイアスで) 示します。 地形の画像は (左から右へ) ゲートの酸化物、インターフェイス領域およびフィールド酸化物を示します。 2 つの領域間の端で高められた野鳥捕獲者Nordheim のトンネルを掘る流れは測定されます。 これは隣接した実行中領域間の絶縁領域として役立つフィールド酸化物の製造の間にゲートの酸化物のローカルに構造に薄くなることを明記します。

図 7. 地形 (残っている) およびフィールド酸化物からの 40nm への転移の同時得られたトンネルを掘る現在の画像は (右の) 厚く酸化物をゲートで制御します。 転移でケイ素酸化物の薄くなることを明記するトンネルを掘る流れは高められます。 1ìm スキャン、 0.5 個の pA の現在のスケール。 画像礼儀 A. Olbrich、 Infineon、ミュンヘン、ドイツ。

図 8 では、 EEPROM 装置のための 8.5nm 厚いトンネルの酸化物の地形そしてトンネルを掘る現在の画像は表示されます。 トンネルの酸化物 (SiO₂) は左右へのより厚いフィールド酸化物によって囲まれています。 データは 10V のサンプルバイアスで得られました。 フィールド酸化物がある特定のサンプルバイアスで測定可能な流れを示すには余りにも厚い一方トンネルの酸化物は有効な酸化物の厚さの変化を明記する電流密度で異種を示します。

図 8. 8.5nm の地形は (残っている) およびトンネルを掘る (右の) 現在の画像厚く 10V のサンプル₂バイアスで測定される酸化物 (SiO) にトンネルを掘ります。 2ìm スキャン、 200 の fA の現在のスケール。 画像礼儀 A. Olbrich、 Infineon、ミュンヘン、ドイツ。

従来の不揮発性メモリ装置への代わりとして、磁気ランダムアクセス・メモリは (MRAMs)調査されて、開発されています。 MRAMs はトンネルを掘る磁気抵抗効果に基づいて (TMR)動作し、必須の部分は金属絶縁体金属のトンネルの (MIM)接続点です。 これらの構造の正常な操作は障壁の厚さの化学的に同質な (不純物の自由) 絶縁の障壁、また最小の変動を必要とします。 従って空間的にトンネルの障壁を解決し、マクロスコピックトンネルの磁気抵抗に関連付けることは重要です。 慣習的な透過型電子顕微鏡および (TEM) X 線の光電子分光学 (XPS) の調査が原子構成、表面インターフェイス構造および化学成分で全体的な情報を提供する間、これらの技術は原子スケールで深さおよび表面に平均するのでトンネルの障壁の品質の不完全情報を与えます。 今まで、マグロは非常に高い側面解像度のこれらのフィルムのローカル電気特性の性格描写を可能にする唯一の方法です。 図 9 は地形およびトンネルを掘ることを大きいバンドギャップ (約 8₂eV₃) による MRAMs のための非常によい絶縁体としてそれ自身を貸す 1.2nm 厚い Al O の層の現在の画像示します。

1.2nm 薄く撮られる地形 (残っている) および現在のトンネルを掘る (右の) 画像酸化アルミニウムの図 9. (0.14V₂500nm₃のサンプルバイアス電圧の Al の O) はフィルム、 5 pA の流れの範囲スキャンします。 データ礼儀 A. Olbrich、 Infineon、ミュンヘン、ドイツ。

有効な電気厚さのローカル変化は - 複数の一桁まで…高い流れで起因します。 それは最も頻繁に、高められたトンネルを掘る流れとの領域が地勢的に上げられた機能と対応するようであること顕著です。

マグロの重要なアプリケーションは薄い誘電性のフィルムの電気欠陥のローカリゼーションそして識別です。 図 10 では、 SiO の薄い₂フィルムは小さい電気欠陥として見ることができる量の点の制御された量と埋め込まれました。 小さい点は標準 SPM の地形を使用するとき観察できませんでしたが、マグロの流れデータではっきり現れます。 1V からの 5V へのバイアス電圧を高めた上で、より多くの点はマグロの流れの画像で現われます。 これは欠陥のサイズおよび表面の下の欠陥の深さと関連していることができます。 この例は画像にマグロの技術を使用する可能性を説明し、表面下の電気欠陥を、また欠陥のサイズおよび密度を測定するために集中させたものです。

埋め込まれた欠陥の SiO のフィルムの得られるマグロの画像₂の図 10. シーケンス。 サンプルバイアス電圧は左から右へありました: (上) 1V、 2V、 (底) 3V、および 5V。 1ìm スキャン、 1 個の pA の現在のスケール。 礼儀 S. Madhukar、 Motorola、オースティン、テキサスを見本抽出します。

マグロのための別のアプリケーションはデータストレージ工業で使用される薄い誘電性のフィルムの性格描写で見つけることができます。 磁気抵抗読書きヘッドおよびディスク媒体のパフォーマンスそして信頼性を改善する (MR)連続的な努力は目指します。 および摩耗腐食保護のために、ディスクおよびヘッドは薄い非導電 DLC のフィルムが一般に塗られます。 マグロがこれらのフィルムの品質を定めるのに使用することができます。 バイアスをディスクかヘッドに適用するとき、トンネルを掘る流れは DLC のコーティングの漏出経路、小さい異種または欠陥 (電気汚染物、短絡、 DLC 薄くなる、等) の優秀な表示器です。

図 11 はトンネルを掘ることに均一コーティングが付いている 2 つの氏ヘッドの現在の画像を示します。 地形の画像はマグロ現在のデータが DLC のフィルムを通って見、氏ヘッド暴露の不完全なコーティングの異なった (金属) 領域を示す一方、氏ヘッドの小さい細部を示します。 トンネルを掘る現在の画像は不完全な氏ヘッドのコーティングではっきり弱点を示します。 薄い DLC のフィルムでカバーされる磁気ディスク媒体のマグロのアプリケーションは図 12 で説明されます。 地勢およびマグロ現在のデータは別の DLC コーティングの厚さの 2 つのサンプルのために、表示されます。 データが薄い DLC のフィルムが付いているディスクで得た左の画像表示。 マグロ現在のデータは約 0 と 20 pA の間で変わり、ディスクの磨くスクラッチに関連する強く空間的な変化を示します。 データがわずかにより厚い DLC のコーティングが付いているディスクで得た右の画像表示。

図 11. トンネルを掘る流れスキャンは (左) 薄いダイヤモンドそっくりのカーボンフィルムでカバーされた磁気抵抗読書きヘッドで (DLC)測定しました。 不完全な DLC のコーティングが付いている同じようなヘッドのトンネルを掘る現在の画像 (右の)。 20ìm スキャン。 礼儀 T. アーメド、 Seagate、ミネアポリス、ミネソタを見本抽出します。

図 12。 トンネルを掘る流れスキャンは薄く、 (左) わずかにより厚い (右。) DLC のフィルムでカバーされた 2 つの磁気ディスク媒体で測定しました。 0.5ìm スキャン、 20 pA の現在のスケール。 礼儀 J. リー、 Seagate、 Fremont、カリフォルニアを見本抽出して下さい。

平均トンネルを掘る流れはフィルム厚さの変更に相当して大いにより低いです。 また、表面の形態への相関関係は大いにより少なく顕著です。 マグロの技術が DLC のフィルムかの厚さ、構成および処理状態の最適化で正常にどのように助けることができるかこの例に説明されています。

MEMS およびマイクロエレクトロニクス両方のアプリケーションのための材料のもう一つの重要なグループは圧電気および ferroelectric 材料です。 特別な関心の揮発性メモリ装置_X(_1-Xドラム₃) および PZT (O) ferroelectric メモリデバイスで使用されるかもしれない、 PbZr のチタニウムの高エプシロンの_X誘電体_1-Xとして₃役立つ BST (Ba のストロンチウム TiO) はあります。 これらの酸化物は多結晶性であり、今のところ理解される顕微鏡の構造と電気特性間の相関関係は健康ではないです。 再度、マグロはこれらのフィルムのローカル特性を分析する有用な技術である場合もあります。 高められた現在の流れは個々の穀物で粒界に沿って顕著、一方より少なく現在観察されますです。 この動作は、例えばこのタイプのフィルムと製造される ferroelectric コンデンサーの望ましくない漏出流れを説明できます。

500nm 厚い BaTiO で得られるマグロデータは₃図 13 で、表示されます層になります。 より高い流れは粒界の、またある長距離回線部門に沿っていくつかで観察されます。 これらのひびそっくりのラインの 1 つは現在の画像で表示されます。 これらの高漏出現在行の存在は視覚化されたフィルムの圧力現象によって説明されるかもしれません。 この効果はマグロの流れデータだけで観察されます。

図 13。 BaTiO の薄い ferroelectric フィルムの地形 (残っている) および現在のトンネルを掘る (右の₃) 画像。 2ìm スキャン、 2 pA の現在のスケール。 礼儀 H. Ruda の、カナダトロント大学を見本抽出して下さい。

前に記述されていた無機材料に加えて、マグロはまた伝導性ポリマーのような有機材料のために非常に有用であると証明しました。 図 14 で表示されたデータは 100nm 厚いポリフェニレン vinylene の層 (PPV) の低いばねの一定したプローブを使用して 200nm 厚い多アニリン (PANI) の層の上に得られました。 PPV は電荷キャリアの輸送を促進する伝導性バッファ層 (PANI) の上に回転鋳造物である発光ポリマーです。 この特定のサンプルに PANI の層の測定を下に可能にするために皮をむかれた PPV の層が部分的にありました。 サンプルの PPV の部品は地形の画像の左でわずかにより高く、目に見えます。 対応する現在の画像ははっきり異種 PANI バッファ層と比較される PPV の均一により低い伝導性を示します。

図 14。 地形 (残っている) および 100nm PPV のマグロの現在の (右の) 画像は伝導性 PANI の層で層になります。 サンプルバイアス電圧は -6V でした。 50ìm スキャン。 礼儀 C. チャン、 Uniax、 Goleta、カリフォルニアを見本抽出して下さい。

第 2 伝導性ポリマー例は、より高い空間分解能と図 15 で、示されています。 CAFM の技術がインジウムの錫の酸化物の基板で沈殿した薄い多analine フィルムの伝導性の空間的な変化をマップするのに使用されました。 このサンプルの比較的高い伝導性はマグロのモジュールの代りに CAFM のモジュールの使用を、必要としました。 観察された流れは 0 および 200 pA の間で変わりました。 CAFM の画像は PANI で、および PANI で覆われるより小さいカバーされる、大きい領域の高い伝導性隔離された点のためのわずかにより低い伝導性を示します。 基板は不完全に伝導性領域として現われます。 用いられる低いばねの一定したプローブは非常に低い接触力でスキャンすることを割り当てまそれ故にこれらの比較的柔らかいサンプルの変形か摩耗を最小化します。

図 15。 地形 (上) およびインジウムの多analine フィルムの CAFM の現在の (最下の) 画像は酸化物の基板を錫メッキします。 2ìm x 1ìm スキャン、 200 pA の現在のスケール。 礼儀 S. Rane の、イリノイシカゴ大学を見本抽出して下さい。

半導体デバイスの継続小型化は二次イオン質量分析法、広がり抵抗の側面図を描くこと、およびキャパシタンス電圧測定のような従来の (SIMS)材料分析の技術のための (SRP)深刻な挑戦を、 (C-V)作成しました。 これらの器械の正確さ、信頼性および改善された機能が現在の材料性格描写データに基礎を提供する間、副 0.1 mm 機能を測定する、 1 次元限定、無力および限られた性格描写のレパートリーはスキャンのプローブの技術の値を増加しました。 SCM は高度の半導体の分析の世界に方法を見つける最初の SPM の技術の 1 つでした。 SCM の器械は実際の半導体デバイスの 2 つの次元でキャリア集中のプロフィール、また重大な装置構造へのこれらのプロフィールの関係を示すことができます。 この機能は SCM のモジュールを半導体デバイスの開発、製造業、テストおよび障害の分析に有用にさせます。

SCM では、金属で処理されたプローブは半導体のサンプル (MIS)が付いている金属絶縁体半導体のコンデンサーを形作ります。 スキャンの接触 AFM の先端とサンプル間の AC バイアス応用はギガヘルツ共鳴キャパシタンスセンサーを使用して監視されるキャパシタンス変化を生成します。 このシステムは attofarads (F) <10 より小さい変化に敏感であるために^–18示されていました。 従ってキャパシタンス変化 (dC/dV) はローカルキャリア集中の密度およびタイプの測定 (n タイプか p タイプ) で、高解像に二次元にキャリアの側面図を描くことに使用することができます。

SCM の最も重要なアプリケーションの 1 つは半導体デバイスの構造の二次元にキャリアの側面図を描くことです。 ケイ素および化合物半導体は両方大きい興味です。 二次元に添加物の側面図を描くことは半導体のための国際的な技術の道路地図の高優先順位であり、次世代装置製造のための可能になる技術になることを期待します。 SCM は空間分解能 (10-20nm について)、およびダイナミックレンジ (10-10 atoms/cm¹⁵²⁰ ) を³これらの必要性に答える提供します。

図 16 は地形 (去りました) およびペンティアム II プロセッサからの crosssectioned トランジスターで同時に得られる SCM dC/dV の (右の) 画像を示します。 地形は示します

2 つのスペーサ (明るい領域) とのゲート領域は、しかしキャリアのプロフィールの細部を示しません。 SCM dC/dV の画像はトランジスターの別様に添加された領域を示します: ソース、下水管 (高および低線量のインプラントは目に見えます) およびゲート。 SCM の画像が添加された領域の側面および縦の拡張の有能なゲートの長さ、接続点の深さ、または細部のような有益な情報を得るのに使用することができます。 SSRM を除いて、この極めて重要な情報はアクセス可能ではない直通他のどの技術もではないです。

図 16。 地形 (残っている) およびペンティアム II プロセッサの crosssectioned トランジスターの SCM dC/dV (右の)。 1.25ìm スキャン。

イメージ投射に加えて dC/dV を対サンプルの指定位置の V のカーブ測定するのに、また SCM が使用することができます。 図 17 では、 DC のサンプルバイアスは 2 つの userselected 値間で増加して、 SCM センサーの出力 (dC/dV) は監視され、計画されます。 上のカーブは n タイプのサンプルで最下のカーブは p タイプのサンプルで測定されたが、測定されました。 期待どおりに、異なったタイプは dC/dV のシグナルの別の印で起因し、異なった添加物のレベルは dC/dV のシグナルの別の強度で起因します。

図 17。 dC/dV は対 V のカーブサンプルの 2 つの位置の SCM と測定しました: atoms/cm (上の¹⁷カーブ³ ) および p タイプ n タイプ、 2x10、 3x10¹⁹atoms/cm³(最下のカーブ)。

図 18 は地形 (去りました)、振幅 (中間)、および上の金属のキャパシタンス (右の) およびケイ素のドラムのセルの誘電体によってエッチングされる層を説明します。

図 18。 高さか地形 (残っている)、キャパシタンス (SCM) dC/dV 振幅 (中間)、および慣習的なケイ素のドラムのセルのキャパシタンス (SCM) dC/dV 段階の (右の) 画像。 上の金属および誘電体の層はケイ素を露出するためにエッチングされました。 SCM dC/dV 段階の画像は ptype (明るいカラー) および n タイプの (暗い色) 添加された領域を区別します。 ドラムのセルの npn および pnp のトランジスターはそれからはっきり視覚化され、重大なパラメータの抽出、例えば、有効なゲートの長さを許可し、欠陥を視覚化します。 SCM dC/dV の振幅の画像は添加物集中の相対的な大きさを示します: 従って明るいカラーはより大きい枯渇キャパシタンスを、より低く添加された領域 (例えば、健康なインプラント領域) 意味し。

図 19 はキャパシタンス (去りました) および p タイプの基板に n タイプのインプラントから成っているイオン植え付けられたケイ素の構造の地形を (右の) 説明します。

図 19。 キャパシタンス (SCM) dC/dV 段階 (左) およびイオン植え付けられたケイ素の高さ/地形の (右の) 画像は p タイプの基板に n タイプのインプラント (暗い領域) からの成を構成します。 追加 (より浅い) p タイプのインプラントは観察することができます。 構造は標準磨く技術で交差区分されました。

SCM はまた半導体デバイスの障害の分析のための非常に貴重なツールです。 SCM の技術はそれが正しいタイプであるかどうか特定の注入が現在の (n か p) の期待された次元 (詳細、側面)、および他の特性であるかどうか視覚化をの可能にします。 典型的な障害の分析の例は図 20 で示されています。 横断面の表面は悪い電気装置特性を持つと知られていた 1 つを含むいくつかの装置を通して、なされました。 よい装置の SCM の画像は上の画像で示されています; 悪い装置の対応する領域の SCM の画像は最下の画像で示されています。 最下の画像は 2 つが領域 (すなわち明るい領域を植え付けたことを示します: 互いから分かれているべきである一方、 n タイプのインプラントおよび n タイプの健康なインプラントは) 触れています。 この 「短絡」はこの特定装置の非常に高い漏出流れで起因しました。

図 20。 よく、 (上) 壊れる (最下の) ケイ素装置の SCM の画像。 最下の画像表示 2 つの添加された領域間の短絡。 8ìm x 2ìm スキャン。

Ferroelectric 薄膜は不揮発性メモリおよび microelectromechanical 装置 (MEMS) の可能なアプリケーションのために非常に魅力的です。 これらの装置の減少は (ナノメーターの 10 に) ferroelectric フィルムの物質的な特性そしてプロセスの適切な記述を必要とします。 例えば、それはナノメーター次元の ferroelectric 構造がまだ ferroelectric および圧電気の特性を調査し表わす、これらの特性が全面的なサイズによってどのように影響されるか調査するためにですかどうか基本的。 SCM はこれらの調査のための可能な技術です。 例えば、 SCM は薄膜の ferroelectric サンプルおよび、それ故に、領域または分極州のための C-V 斜面の印を測定するために方法を提供します。 SCM は画像に使用され、薄い鉛 (Nb のジルコニウムのチタニウム)_1.0O (_0.04PNZT_0.28) の_0.68ferroelectric フィルム₃ のドメイン構造を処理します。 25x25ìm の領域で、先端は -12V の DC のサンプルバイアス電圧とスキャンされ、続いて小さい領域は反対の極性の DC のサンプルバイアス電圧と書かれていました。 小さい AC バイアス電圧は画像に分極された領域、すなわち、 C-V のカーブの斜面の大きさそして印をゼロ DC バイアスで調査するために使用されました。 図 21 は権利の SCM の画像および左の対応する AFM の地形の画像を示します。 暗闇および軽い対照領域は dC/dV のシグナルが高力のしかし印の反対にある反対側に分極された領域を明記します。

図 21。 PNZT の ferroelectric フィルムの地勢 (去られる) および SCM dC/dV の画像 (右の)。 暗く、明るい領域は反対側に分極された領域に対応します。 異なった分極領域は異なったスキャンサイズの SCM を使用して書かれ、この SCM 前のサンプルバイアス電圧はスキャンします。 25ìm スキャン。 サンプル礼儀 CH。 Ganpul および M. Ramesh のメリーランド大学。

さらに、 SCM はまた小さい ferroelectric コンデンサーの、また更に単一の ferroelectric 穀物の分極 (か C-V) カーブを測定できます。 これは慣習的で徹底的な技術と不可能です。 図 22 は白金電極の上に地形 (去りました) および FerroElectric 薄膜のキャパシタンスを (右の) 説明します。 図 23 が画像の上の、今先端とサンプルの間で適用される 5V DC の同じ領域をとおよそ示す一方。 DC 電圧はすべての穀物に同じ分極州があること分極をそのような物変更します。 そして最後に、 ferroelectric 領域の典型的な集中させたキャパシタンス分光学を用いる単一の穀物の図 24 ショーヒステリシス対応用 DC バイアス (v)。

図 22。 高さ/地形 (残っている) および白金電極の上の FerroElectric 薄膜のキャパシタンス (SCM) dC/dV 段階の画像 (右の)。 高さの画像は 20-100nm によって大きさで分類される穀物が付いている薄膜の粒状構造を示します。 SCM dC/dV 段階の画像は個々の穀物の」分極状態示します; それは同じ頻度でキャパシタンスを調整する先端とサンプル間の小さい振幅 AC 電圧の適用によって得られます (分極州を変更しないために DC 電圧は AFM の先端の存在によって 0V で保たれます)。 Ferroelectric 分極州は SCM で行われる料金の測定によって定められます。 SCM の技術の解像度は 1 つが単一の穀物内の変化を観察するようにします。

図 23。 5V DC の画像の上のおよそ同じ領域はと、しかし今先端とサンプルの間で適用しました。 DC 電圧はすべての穀物に同じ分極州があること分極をそのような物変更します。

図 24。 集中させたキャパシタンス分光学 (SCM に排他的な) dC/dV は対単一の穀物の応用 DC バイアス (v) ferroelectric 領域の典型的なヒステリシスを示します。 データは二度キャパシタンスを対 DC バイアスカーブ得、相対的な分極を対 DC バイアスカーブ得るために一度統合されます。

プローブが半導体デバイスの横断面を渡ってスキャンされる間、電気抵抗は接触を集める伝導性の先端と大きい流れの間で測定されます。 応用力がある特定のしきい値力を超過するとき、測定された抵抗は広がり抵抗によって支配されます。 Si の構造でネイティブ酸化物を突き通し、安定した電気接触を確立するために、高い力は (普通、少数 ìN) 必要となります。 標準 AFM のプローブがこれらの高い力で変形するので、添加されたダイヤモンドかダイヤモンド上塗を施してあるケイ素のプローブは用いられます。 極度な硬度、高いヤングの係数および添加によって得られる電気伝導率はダイヤモンドを使用のために特に適したようにように SSRM の先端のコーティング材料します。

図 25 では、分析は Si DMOS のトランジスター構造で行われました。 トランジスター構造は別様に添加された領域を露出するために交差区分され次に標準磨く技術を使用して磨かれました。 地勢画像は (残っている) Al 接触 (黒い領域)、根本的な酸化物 (茶色) および polysilicon および根本的なゲートの酸化物かなりはっきり示します。 SSRM の抵抗の画像は (右の) 電気で実行中領域を示します。 異なったカラーは抵抗の異なったレベルを反映します: 暗闇は非常に伝導性領域を明記し、明るい低い伝導性を明記します。 はっきり観察可能非常に添加された n -⁺基板 (黒) はです; より低い添加された n epilayer (焦茶); p⁺- (現われる) ボディ、 n 非常に抵抗ように⁺- インプラント (黒)、金属および酸化物領域、また非常に伝導性の polysilicon 材料。 接続点の位置はさまざまなカラーレベル間の鋭い転移に対応します。

図 25。 交差区分された Si DMOS のトランジスターの地形 (残っている) および抵抗の (右の) スキャン。 12ìm スキャン礼儀 IMEC、ベルギー。

図 26 は金属を特色にする交差区分されたコンデンサーの SSRM の画像を考えますその間の誘電体とのフィルム領域を説明します。 SSRM の画像は頻繁に SSRM が 2 間の大きい対照を示す一方 SCM の画像が誘電体および金属のシグナルを与えないので、 SCM の画像に補足です。

図 26。 crosssectioned コンデンサーの SSRM の高さおよび抵抗の画像。 コンデンサーにその間の誘電体との金属の薄膜領域があります。 異なる電気接触の間に漏出経路があったら、抵抗の画像はそれらを示します (この画像で見つけられるどれも)。

第 2 例 (図 27) では、 SSRM イメージ投射は 0.25ìm のゲートの長さとケイ素 MOSFET で行われました。 画像は (残っている) - を非常に伝導性領域として…低伝導性領域として別様に添加された領域 - ソース、下水管およびゲート (暗い)、誘電体および基板、また中間に伝導性領域示します。 ソースおよび下水管の接続点は薄くとして、低い伝導性の明るいライン観察されます。 トランジスターのソース領域によってなされるセクションはまた図 27 で示されています (右の)。 セクションは左から右へ示します: 誘電性の最上層、ソースインプラント (p タイプ)、接続点のピーク、井戸 (n タイプ)、および基板。 接続点の深さは接続点のピークと誘電性の最上層間の間隔としてこのセクションから容易に得ることができ 184nm であるために確認されています。

図 27。 交差区分された 0.25ìm のケイ素 MOSFET のトランジスターの SSRM の抵抗スキャン。 2ìm スキャン礼儀 IMEC、ベルギー。

ケイ素に加えて、化合物半導体は大きい興味またです。 LEDs、光検出機構およびダイオードのレーザーは少数だけの III-V および II-VI の半導体から製造される多くの装置です。 伝導性 (電気実行中の添加物原子特に) の二次元の分布の知識はプロセス開発およびモニタリングのために重要です。 化合物半導体のために、サンプル準備は最小です; 簡単な裂くことは複雑なサンプルで最もよい表面を提供し、サンプル準備の分だけ後に重大な装置特性のイメージ投射を可能にします。 金属および金属上塗を施してあるケイ素の先端は安定した、再生可能な SSRM の測定のために十分に堅い証明します。 よいノイズ比率へのシグナルのために、中型のプローブ圧力 (副 ìN) と組み合わせた比較的高いバイアス電圧 (複数のボルト) は必要となります。 SSRM と図 28 で示されている交差区分された INP ベースのヘテロ構造で使用できる高解像にキャリア密度の側面図を描く例は見ることができます。

図 28。 地形 (残っている) および INP ベースのヘテロ構造の SSRM の抵抗の (右の) スキャン。 7ìm スキャン。 M. Geva、 Lucent Technologies、 Breinigsville、 PA の礼儀を見本抽出して下さい。

抵抗の画像はヘテロ構造の異なった領域を示します: 異なった厚さ値の交互になる Zn 添加された p タイプのおよび S 添加された n タイプの層。 画像はメサ領域の方に層の二次元の性質を明らかにします。 この例は INP ヘテロ構造の分析のための化合物半導体の構造のキャリアの分布の二次元イメージ投射の SSRM の分析的な力を、特に、利率が高い得ることである領域示したものです。

SSRM はまた nonsemiconductor 材料の電気特性の調査に使用することができます。 これは金属、 semimetals、伝導性ポリマーおよび他の中間に伝導性材料のためのアプリケーションを含んでいます。 最適パフォーマンスのために、異なった材料は頻繁に別のプローブ材料および力の設定値を必要とします。 図 29 の例では、 Cu のフィルムは視覚化されています。 フィルムの粒状構造は地勢データではっきり観察されます。 SSRM の抵抗データは穀物の抵抗が端の方により高いことを、示します穀物の中心と比べて。 平均結晶粒度が 30nm である、空間分解能は 5nm の順序にありますことに注目すれば。

図 29。 地形 (残っている) および粒状のメタル・フィルムの SSRM の抵抗の (右の) スキャン。 500nm スキャン。