Elektro Karakterisering met de Microscopen van de Sonde van het Aftasten

De Toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, mislukkingsanalyse van halfgeleider en gegevensopslaggelegenheden, het tweedimensionale carrier profileren van halfgeleiderapparaten, en geleidingsvermogenstudies van diëlektrische, metaal, polymeer, natuurlijke producten, en halfgeleiderfilms. Deze toepassingsnota bespreekt de technieken en enkelen van deze vele toepassingen in groter detail.

CAFM is een krachtige huidige het meten techniek om variaties in elektrogeleidingsvermogen van materialen (figuur 3) in kaart te brengen. CAFM kan op materialen met middelgroot geleidingsvermogen (1pA aan 1ìA) worden toegepast. De CAFM toepassingsmodule kan op of weergave of de spectroscopiewijze worden in werking gesteld. Op de weergavewijze, worden de beelden van de elektrostroom verkregen, terwijl op de de spectroscopiewijze men huidig-voltage (IV) of huidig-kracht (I-z) spectrums kan verzamelen.

Figuur 3. De beelden CAFM brengen het geleidingsvermogen van HfO₂als gedeponeerd (links) in kaart en post-ontharden bij 700°C (midden) en (juiste) 800°C. Deze kaarten staat visualiserend, toe en kwantificerend de grootte en de distributie van nadelen in diëlektrisch. De Donkerdere kleur betekent hogere stroom door het uiteinde, dat op hoger geleidingsvermogen, en zo de zwakkere vlekken in diëlektrisch wijst. De Nadelen komen en verspreiden zich op het ontharden te voorschijn, ontharden meer bij hoger temperatuur. 500nm de Jasmijn Petry, IMEC, België van de aftastenhoffelijkheid.

Op de weergavewijze, wordt een elektrisch geleidende sonde afgetast over de steekproefoppervlakte op contactwijze aangezien lijn houdt de afbuiging van de cantileverconstante terugkoppel terwijl de lokale hoogte van de steekproef wordt gemeten. Tijdens aftasten, kan de gebruiker bias van GELIJKSTROOM tussen het uiteinde en de steekproef toepassen. Een wordt de lineaire huidige versterkerbetekenissen met geringe geluidssterkte het resulterende huidige overgaan door de steekproef als topografiebeeld gelijktijdig verkregen (zie figuur 2). De waargenomen stroom kan als maatregel voor het lokale geleidingsvermogen of de elektrointegriteit van de steekproef in studie worden gebruikt.

Naast de weergavewijze, meet CAFM ook lokale huidige voltage (IV) of huidig-kracht (I-z) spectrums gebruikend de de spectroscopiewijze. om IV spectrums te verkrijgen, wordt het weergaveaftasten tegengehouden en het uiteinde wordt gehouden in een vaste plaats terwijl steekproefbias naar boven of naar onder hellend is. De resulterende stroom door de steekproef wordt in kaart gebracht tegenover toegepaste bias (cijfer 3a). De gebruiker-Verkiesbare parameters omvatten begin en beëindigen voltage van de helling, de hellingsrichting, het hellingstarief, en vertragingstijden tussen individuele hellingen. De software kan of één enkel spectrum registreren of over veelvoudige spectrums het gemiddelde nemen van. Voor sommige metingen, is het wenselijk om de stroom te beperken die door de steekproef overgaat. In dit geval, voorziet de software de gebruiker van een „trekker“ optie, die de voltagehelling tegenhoudt zodra de gebruiker huidige waarde wordt bereikt selecteerde. om spectrums te verkrijgen I-z, steekproef wordt bias gehouden constant, terwijl de scanner in de z-Richting wordt bewogen, gelijkaardig aan de meting van kracht-verplaatsing krommen. De resulterende stroom door de steekproef wordt in kaart gebracht tegenover de z-Positie van de scanner. Opnieuw, staan verscheidene parameters de gebruiker toe om specifieke ramping experimenten uit te voeren en te controleren I-z.

Cijfer 3a. De Spectroscopie CAFM: Stroom tegenover de percelen van het Voltage (iv) die met uiteinde AFM op nadelen van dunne film (HfO)₂wordt geplaatst. (Gemiddelden van verschillende plaatsen) openbaar achtergronddielekkagestroom met het ontharden, en gemiddelde stroom bij een bepaald die voltage wordt gelaten vallen na het ontharden, met verhogings onthardende temperatuur wordt verhoogd.

Een spectrum I-z wordt getoond in figuur 4. Hier werd de module CAFM gebruikt om de stroom op een geleidende polymeersteekproef als functie van de toegepaste kracht, of cantileverafbuiging te bestuderen. De elektrodiestroom, door de module CAFM wordt ontdekt, wordt gecontroleerd terwijl het uitvoeren van een standaard ramping cyclus van de krachtverplaatsing. Het huidige spectrum toont de details van de verandering in geleidingsvermogen voor het puntcontact aangezien de sonde contact met de steekproef opneemt en de kracht wordt verhoogd.

Figuur 4. Kracht-Verplaatsing (bovenkant) en spectrum I-z (bodem) gelijktijdig met de module die CAFM wordt gemeten.

CAFM kan in velen onderzoek en productiegebieden worden toegepast voor de analyse van een brede waaier van materialen. Het kan ook worden gebruikt om te lokaliseren en beeld elektrotekorten in halfgeleider en gegevensopslaggelegenheden. Bovendien kan CAFM worden toegepast om geleidende polymeren en andere materialen met niet-uniform geleidingsvermogen, zoals semimetals, halfgeleidermaterialen, geleidende organische materialen, nanotubes en anderen te kenmerken.

De TONIJN meet ultra-low stromen op laag-geleidingsvermogensteekproeven. Zoals met CAFM, wordt bias van GELIJKSTROOM toegepast tussen de steekproef en het geleidende uiteinde aangezien het uiteinde de steekproef op contactwijze aftast. Een lineaire huidige versterker met een waaier van 60 FA aan 120 pabetekenissen het resulterende huidige overgaan door de steekproef. Op deze wijze, worden de topografie van de steekproef en de stroom gelijktijdig gemeten, toelatend directe correlatie van een steekproefplaats met zijn elektrische eigenschappen. Het geluidsniveau van de module van de TONIJN (type. 50 FA) staan men toe om uiterst gevoelige huidige metingen uit te voeren. Bovendien staat de module van de TONIJN ook lokale meting van huidig-voltagespectrums op toe de steekproef.

De techniek van de TONIJN is vooral nuttig voor evaluatie van dunne diëlektrische films zoals poortoxyden (vaak SiO₂) in transistors. In TONIJN die, het huidige hangt een tunnel graven van het uiteinde door de diëlektrische film sterk van filmdikte, lekkagewegen (misschien door tekorten wordt veroorzaakt) en lastenvallen af. Elk van deze kunnen de eigenschappen en de integriteit van de gehele film beduidend beïnvloeden, waarbij de prestaties van een volledig apparaat worden gecompromitteerd.

De TONIJN kan in velen onderzoek of productiegebieden en op een brede waaier van materialen worden toegepast. Het kan worden gebruikt om de dikteuniformiteit of de interfaceruwheid van dunne diëlektrische films, zoals poortoxyden te bestuderen. Het kan ook worden toegepast om te lokaliseren en beeld elektrotekorten in halfgeleider of gegevensopslaggelegenheden. Bovendien kan de TONIJN voor de studie van geleidende polymeren of natuurlijke producten, en andere laag-geleidende materialen (zoals semimetals, halfgeleidermaterialen, enz.) worden gebruikt. Sommige typische voorbeelden worden verstrekt in volgen sectie.

Één van de meest veeleisende stappen in de productie van halfgeleiderapparaten is de diëlektrische poort. De dunne diëlektricafilms (vaak SiO₂of diëlektrica hoog-k) worden gebruikt als poortoxyden in gebiedseffect transistors en als het een tunnel graven van oxyden en diëlektrica voor geheugencondensatoren zoals dynamisch directe toeganggeheugen (DRAM) en elektrisch uitwisbare en programmeerbare read only memory (EEPROM) apparaten. Een structureel en elektrisch homogeen oxyde is van primair belang aan de eisen ten aanzien van betrouwbaarheid en stabiliteit op lange termijn van de poort en de een tunnel gravende oxyden te voldoen. Anders, leiden de degradatie en de analyse tot vroege apparatenmislukking. Zelfs kan de variatie van oxydedikte in de ångströmwaaier een grote invloed op het elektrogedrag van transistor en de geheugenapparaten hebben. Met dalende oxydedikte wordt dit probleem strenger. De ruwheid van de Oppervlakte en van de interface resulteert in stijgende oxydegebieden en verbetert lekkagestromen en het een tunnel graven fowler-Nordheim, het leiden tot snelle degradatie en het beperken van het schrapen van oxyden voor metaal-oxyde-halfgeleider (MOS) apparaten.

Conventionele van het metings techniek-macroscopische huidige voltage (IV) en weerstand-voltage (cv) de spectroscopie, de emissiemicroscopie (EM), en het transmissieelektron (TEM) microscopie-zijn ontoereikend voor de plaatsbepaling van en het meten van de graad van oxyde het verdunnen. Deze methodes of hebben de vereiste resolutie of maatregelen slechts de structurele (niet elektro) informatie niet. De TONIJN anderzijds, verstrekt de ruimtedieresolutie en de gevoeligheid wordt vereist om efficiënte diktevariaties van dunne diëlektrische films in kaart te brengen. Een bias voltage, tussen steekproef en sonde wordt toegepast, leidt tot een een tunnel gravende stroom (vandaar de naam die AFM Een Tunnel Graaft) die sterk van de lokale elektrische eigenschappen, d.w.z., de efficiënte elektrodikte van het oxyde dat afhangt. De geleidende sonde, de oxydefilm in onderzoek, en het halfgeleidersubstraat vormen een lokale MOS structuur. Over Het Algemeen, stijgt de stroom (vaak fowler-Nordheim) exponentieel met een lineaire verandering in filmdikte, waarbij een zeer gevoelige techniek wordt verstrekt om diktevariaties te controleren.

Figuur 5 toont een reeks huidige die beelden van de TONIJN bij verschillende bias voltages op de naakte oppervlakte van de oxydefilm worden genomen. Men kan de verhoging van stroom op het verhogen van het bias voltage duidelijk waarnemen. De huidige die gegevens bij het hoogste voltage (9V) worden genomen tonen gelokaliseerde high-current vlekken op het afgetaste gebied, dat op elektroanalyse van de oxydefilm wijst in deze plaatsen.

Figuur 5. De huidige die metingen van de TONIJN op een 5nm dik SiO poort₂oxyde bij stijgende steekproef bias voltages van links naar rechts worden genomen: (hoogste) 6V, 7V, (bodem) 8V, en 9V. 0.5ìm aftasten.

De Gespecialiseerde software laat ook de meting van IV spectrums in één enkele plaats op de steekproefoppervlakte toe. Figuur 6 toont een typisch IV die spectrum op het 5nm dikke die poortoxyde wordt gemeten, door het bias voltage wordt verkregen uit 0V aan 2V ramping. Het spectrum toont de exponentiële afhankelijkheid van de stroom van het toegepaste bias voltage. De TONIJN kan ook worden aangewend om nadelen en niet-homogeen karakter van dunne diëlektrische films of oxyden te controleren. De Structurele tekorten op de oppervlakte, evenals de structurele en elektroniet-homogeen karakter binnen het oxyde (b.v., SiO)₂en bij de interface aan het substraat (b.v., Si), kunnen worden onderzocht.

Figuur 6. IV die spectrum op een 5nm dik poortoxyde wordt genomen. Het spectrum werd geregistreerd terwijl vanaf het begin het ramping van het bias voltage (0V) aan het eindvoltage (2V) vooruit, en toen terug.

Figuur 7 toont de topografie en het gelijktijdig verkregen het een tunnel graven huidige beeld (bij constante steekproefbias) bij de overgang van een gebiedsoxyde aan een 40nm dik poortoxyde. Het topografiebeeld toont (van links naar rechts) het poortoxyde, het interfacegebied, en het gebiedsoxyde. Bij de rand tussen de twee gebieden wordt een verhoogde een tunnel gravende stroom fowler-Nordheim gemeten. Dit wijst op het lokale structurele verdunnen van het poortoxyde tijdens de vervaardiging van het gebiedsoxyde, dat als het isoleren gebied tussen aangrenzende actieve gebieden dient.

Figuur 7. (Verlaten) Topografie en gelijktijdig-verkregen het een tunnel graven huidig (juist) beeld bij de overgang van een gebiedsoxyde naar een 40nm dik poortoxyde. Bij de overgang wordt de een tunnel gravende stroom verhoogd, die op het verdunnen van het siliciumoxyde wijst. 1ìm aftasten, 0.5 pa huidige schaal. De hoffelijkheid A. Olbrich, Infineon, München, Duitsland van het Beeld.

In figuur 8, topografie en het een tunnel graven worden de huidige beelden van een 8.5nm dik tunneloxyde voor een apparaat EEPROM getoond. Het tunneloxyde (SiO₂) wordt ingesloten door een dikker gebiedsoxyde aan de linkerzijde en het recht. Het gegeven werd verkregen bij steekproefbias van 10V. Terwijl het gebiedsoxyde te dik is om het even welke meetbare stroom bij bepaalde steekproefbias te tonen, toont het tunneloxyde niet-homogeen karakter in huidige dichtheid, die op variaties in de efficiënte oxydedikte wijst.

Figuur 8. (Van de verlaten) Topografie en het een tunnel graven (de juiste) huidige beelden van een 8.5nm dik die tunneloxyde (SiO₂) bij steekproefbias wordt gemeten van 10V. 2ìm aftasten, 200 FA huidige schaal. De hoffelijkheid A. Olbrich, Infineon, München, Duitsland van het Beeld.

Als alternatief voor traditionele niet-vluchtig geheugenapparaten, wordt het magnetische directe toeganggeheugen (MRAMs) onderzocht en ontwikkeld. _MRAMs in werking stellen baseren op de een tunnel graven magneto-resistive (TMR) gevolg, en hun essentieel deel een metaal-isolatie-metaal (MIM) tunnel verbinding. De Succesvolle verrichting van deze structuren vereist een chemisch homogene (vrij van onzuiverheden) isolerende barrière, evenals minimale schommelingen van de barrièredikte. Daarom is het belangrijk de tunnelbarrière ruimte om op te lossen en het met elkaar in verband te brengen met de macroscopische tunnelmagneto-weerstand. Terwijl de conventionele transmissieelektronenmicroscopie (TEM) en x-ray studies van de foto-elektronspectroscopie (XPS) globale informatie over de atoomorganisatie verstrekken, geven de oppervlakte-interface structuur, en de chemische samenstelling, deze technieken onvolledige informatie over de kwaliteit van de tunnelbarrière bij de atoomschaal omdat zij over diepte en oppervlakte het gemiddelde nemen van. Tot op heden, is de TONIJN de enige methode die karakterisering van de lokale elektrische eigenschappen van deze films met zeer hoge zijresolutie toestaat. Figuur 9 toont de topografie en het het een tunnel graven huidige beeld van een 1.2nm dikke Al₂O₃laag, die zich als zeer goede isolatie voor MRAMs toe te schrijven aan zijn groot bandhiaat (eV ongeveer 8) leent.

Figuur 9. De huidige (juiste die) beelden (van de verlaten) Topografie en het een tunnel graven op een 1.2nm film dunne van het aluminiumoxyde (Al₂O₃) worden genomen bij een steekproef bias voltage van 0.14V 500nm aftasten, 5 pa huidige waaier. De hoffelijkheid A. Olbrich, Infineon, München, Duitsland van Gegevens.

De Lokale variaties in efficiënte elektrodikte resulteren in opgeheven stromen - tot verscheidene grootteordes. Het is merkbaar dat vaakst, de gebieden met verhoogde een tunnel gravende stroom om met topografisch opgeheven eigenschappen schijnen te corresponderen.

Een belangrijke toepassing van TONIJN is de localisatie en de identificatie van elektrotekorten in dunne diëlektrische films. In figuur 10, werd een dunne film₂SiO ingebed met een gecontroleerde hoeveelheid quantumpunten, die als kleine elektrotekorten kunnen worden bekeken. De kleine punten konden niet worden waargenomen toen het gebruiken van standaardtopografie SPM, maar tonen duidelijk omhoog in de huidige gegevens van de TONIJN. Op het verhogen van het bias voltage van 1V tot 5V, verschijnen meer punten in de huidige beelden van de TONIJN. Dit kan op de grootte van de tekorten en de diepte van de tekorten onderaan de hoogste oppervlakte worden betrekking gehad. Dit voorbeeld illustreert de mogelijkheid om de techniek van de TONIJN aan beeld te gebruiken en lokaliseert subsurface elektrotekorten, evenals om de de tekortgrootte en dichtheid te meten.

Figuur 10. Opeenvolging van de beelden van de TONIJN op een film SiO₂met ingebedde tekorten worden verkregen dat. Het steekproef bias voltage was van links naar rechts: (hoogste) 1V, 2V, (bodem) 3V, en 5V. 1ìm aftasten, 1 pa huidige schaal. De hoffelijkheid S. Madhukar, Motorola, Austin, Texas van Steekproeven.

Een verschillende toepassing voor TONIJN kan in de karakterisering van dunne diëlektrische die films worden gevonden in de gegevensopslagindustrie worden gebruikt. Een ononderbroken inspanning wordt gericht op het verbeteren van de prestaties en de betrouwbaarheid van magneto-resistive (MR) lees-schrijfhoofden en schijfmedia. Voor bescherming tegen corrosie en slijtage, zijn de schijven en de hoofden algemeen met een laag bedekt met een dunne niet geleidende film DLC. De TONIJN kan worden gebruikt om de kwaliteit van deze films te bepalen. Wanneer het toepassen van bias op de schijf of het hoofd, is de een tunnel gravende stroom een uitstekende indicator van lekkagewegen, kleine niet-homogeen karakter of tekorten (elektroverontreinigende stoffen, kortsluitingen, DLC het verdunnen, enz.) in de deklaag DLC.

Figuur 11 toont de het een tunnel graven huidige beelden van twee M.-Hoofden met eenvormige deklaag. Het topografiebeeld toont weinig detail van M. hoofd, terwijl de huidige gegevens van de TONIJN door de film DLC kijken en de verschillende (metaal) gebieden van M. hoofd onthullende gebrekkige deklaag tonen. De het een tunnel graven huidige beelden toont duidelijk nadelen in de deklaag van gebrekkige M. hoofd. De toepassing van TONIJN op magnetische die schijfmedia, met een dunne film DLC wordt behandeld, is geïllustreerd in figuur 12. De topografische en huidige gegevens van de TONIJN worden getoond voor twee steekproeven, met een verschillende DLC-Met een laag bedekkende dikte. Het linkerbeeld toont de verkregen gegevens over een schijf met een dunne film DLC. De huidige gegevens van de TONIJN variëren tussen ongeveer pa 0 en 20 en tonen een sterke ruimtevariatie die met de oppoetsende krassen huidig op de schijven correleert. Het juiste beeld toont de verkregen gegevens over een schijf met een lichtjes dikkere deklaag DLC.

Figuur 11. Het Een Tunnel Graven huidig (verlaten die) aftasten op een magneto-resistive lees-schrijfdiehoofd wordt gemeten met een dunne diamantachtige koolstoffilm (DLC) wordt behandeld. Het Een Tunnel Graven huidig (juist) beeld van een gelijkaardig hoofd met gebrekkige deklaag DLC. 20ìm aftasten. De hoffelijkheid T. Ahmed, Seagate, Minneapolis, Minnesota van Steekproeven.

Figuur 12. Het Een Tunnel Graven huidig die aftasten op twee magnetische die schijfmedia wordt gemeten met een dunne (linker) worden behandeld en lichtjes dikkere (juist.) film DLC. 0.5ìm aftasten, 20 pa huidige schaal. De hoffelijkheid J. Leigh, Seagate, Fremont, Californië van de Steekproef.

De gemiddelde een tunnel gravende stroom is veel lager, beantwoordend aan de verandering in filmdikte. Ook, is de correlatie met de oppervlaktemorfologie veel minder uitgesproken. Dit voorbeeld illustreert hoe de techniek van de TONIJN met succes in het optimaliseren van de dikte, de samenstelling en de verwerkingsvoorwaarden van de films kan bijwonen DLC.

Een Andere belangrijke groep materialen voor toepassingen in zowel MEMS als micro-elektronica is piezoelectric en ferroelectric materialen. Van bijzonder belang is BST (SR_XTiO_1-Xvan Bedelaars₃), die als hoog-epsilon diëlektrisch in vluchtige geheugenapparaten (BORREL) en PZT (PbZr Ti_XO_1-X)₃dient, die in ferroelectric geheugenapparaten kunnen worden gebruikt. Deze oxyden zijn polycrystalline, en tot dusver wordt de correlatie tussen microscopische structuur en hun elektrische eigenschappen niet goed begrepen. Opnieuw, kan de TONIJN een nuttige techniek zijn om lokale eigenschappen van deze films te analyseren. De Verbeterde huidige stroom is merkbaar langs de korrelgrenzen, terwijl minder huidig wordt waargenomen op individuele korrels. Dit gedrag kan, bijvoorbeeld, de ongewenste die lekkagestroom van de ferroelectric condensatoren verklaren met dit type van film worden vervaardigd.

Het verkregen gegeven van de TONIJN over een 500nm dikke laag₃BaTiO, wordt getoond in figuur 13. Een hogere stroom wordt waargenomen bij enkele korrelgrenzen, evenals volgens sommige langere lijnen. Één van deze barst-als lijnen wordt getoond in het huidige beeld. De aanwezigheid van deze hoog-lekkage huidige lijnen kan door spanningsfenomenen in de imaged film worden verklaard. Dit effect wordt slechts waargenomen in de huidige gegevens van de TONIJN.

Figuur 13. (Van de verlaten) Topografie en het een tunnel graven de huidige (juiste) beelden van een dunne ferroelectric₃film BaTiO. 2ìm aftasten, 2 pa huidige schaal. De hoffelijkheid H. Ruda, Universiteit van de Steekproef van Toronto, Canada.

Naast de eerder beschreven anorganische materialen, is de TONIJN ook zeer nuttig voor organische materialen zoals geleidende polymeren gebleken te zijn. Het gegeven in figuur 14 wordt getoond werd verkregen gebruikend lage de lente constante sondes over een 100nm dikke polyphenylene vinylene laag (PPV) bovenop een 200nm dikke poly-aniline (PANI) laag die. PPV is een lichtgevend polymeer, dat bovenop een geleidende bufferlaag (PANI) wordt gegoten om het vervoer van lastencarriers te vergemakkelijken. Deze bepaalde die steekproef had de laag PPV gedeeltelijk weg wordt gepeld om metingen van de laag PANI onderaan toe te laten. Het deel PPV van de steekproef is lichtjes hoger en zichtbaar op de linkerzijde in het topografiebeeld. Het overeenkomstige huidige beeld toont duidelijk een uniform lager geleidingsvermogen van PPV in vergelijking met de niet homogene PANI bufferlaag.

Figuur 14. (Van de verlaten) Topografie en van de TONIJN de huidige (juiste) beelden van een 100nm laag PPV op een geleidende laag PANI. Het steekproef bias voltage was -6V. 50ìm aftasten. De hoffelijkheid C. Zhang, Uniax, Goleta, Californië van de Steekproef.

Een tweede geleidend polymeervoorbeeld, met hogere ruimteresolutie, wordt getoond in figuur 15. De techniek CAFM werd gebruikt om de ruimtevariatie van het geleidingsvermogen in een dunne die poly-analinefilm in kaart te brengen op een substraat van het Oxyde van het Tin van het Indium wordt gedeponeerd. Het vrij hoge geleidingsvermogen van deze steekproef vereiste het gebruik van de module CAFM, in plaats van de module van de TONIJN. De waargenomen stromen varieerden tussen pa 0 en 200. Het beeld CAFM toont het hoge geleidingsvermogen van de grote die gebieden met PANI worden behandeld, en een lichtjes lager geleidingsvermogen voor de kleinere, geïsoleerde die vlekken met PANI worden behandeld. Het substraat verschijnt als slecht geleidend gebied. De lage aangewende de lente constante sonde staat toe aftastend bij zeer lage contactkrachten, vandaar minimaliserend de misvorming of de slijtage van deze vrij zachte steekproeven.

Figuur 15. Topografie (bovenkant) en huidige (bodem) beelden CAFM van een poly-analinefilm op een het oxydesubstraat van het indiumtin. 2ìm x 1ìm aftasten, 200 pa huidige schaal. De hoffelijkheid S. Rane, Universiteit van de Steekproef van Chicago, Illinois.

De voortdurende miniaturisatie van halfgeleiderapparaten heeft tot een ernstige uitdaging voor de traditionele technieken van de materialenanalyse, zoals de spectrometrie van de secundaire ionenmassa geleid (SIMS), die weerstand het profileren, (SRP) de metingen en van het capacitieve weerstandsvoltage (cv) uitspreidt. Terwijl de nauwkeurigheid, de betrouwbaarheid, en de betere mogelijkheden van deze instrumenten de basis voor de huidige gegevens van de materialenkarakterisering vormen, hebben hun ééndimensionale beperking, onvermogen om eigenschappen te meten sub-0.1-mm, en beperkt karakteriseringsrepertoire de waarde van de technieken van de aftastensonde verhoogd. SCM was één van de eerste technieken SPM om zijn weg in de geavanceerde wereld van de halfgeleideranalyse te vinden. De instrumenten van SCM kunnen de carrier concentratieprofielen in twee afmetingen in daadwerkelijke halfgeleiderapparaten, evenals de verhouding van deze profielen aan kritieke apparatenstructuren tonen. Dit vermogen maakt de module van SCM in de ontwikkeling, productie, het testen, en mislukkingsanalyse van halfgeleiderapparaten nuttig.

In SCM, metalized sonde vormt een metaal-isolatie-halfgeleider (MIS) condensator met de halfgeleidersteekproef. AC bias tussen het uiteinde van het aftastencontact AFM en de steekproef wordt toegepast produceert capacitieve weerstandsvariaties, die gebruikend een sensor die van de Gigahertz resonerende capacitieve weerstand worden gecontroleerd. Dit systeem is getoond gevoelig om voor variaties te zijn kleiner dan attofarads (<10^–18F). De capacitieve weerstandsvariatie (dC/dV) is een maatregel van de lokale carrier concentratiedichtheid en het type (n-type of p-type), en kan daarom voor het high-resolution tweedimensionale carrier profileren worden gebruikt.

Één van de belangrijkste toepassingen van SCM is het tweedimensionale carrier profileren van de structuren van het halfgeleiderapparaat. Zowel silicium als samenstellings zijn de halfgeleiders van duidelijke belangstelling. Het Tweedimensionale additief profileren is een prioriteits op de Internationale Technologie Roadmap voor Halfgeleiders, en het zou een machtigingstechnologie moeten worden voor volgende-generatieapparaat productie. SCM verstrekt de ruimteresolutie (ongeveer 1020nm), en dynamische waaier (10-10¹⁵²⁰ atoms/cm³) om deze behoeften te beantwoorden.

Figuur 16 toont de topografie (links) de juiste die) beelden en van SCM dC/dV (gelijktijdig op a worden verkregen crosssectioned transistor van een Pentium II bewerker. De topografie toont

het poort gebied met de twee verbindingsstukken (heldere gebieden), maar toont geen details van de carrier profielen. Het beeld van SCM dC/dV toont de verschillend gesmeerde gebieden van de transistor: bron, afvoerkanaal (zowel hoge als laag-dosis zijn implants zichtbaar) en poort. Het beeld van SCM kan worden gebruikt om waardevolle informatie te halen zoals de efficiënte poortlengte, de verbindingsdiepte, of de details over de zij en verticale uitbreiding van de gesmeerde gebieden. Met uitzondering van SSRM, is deze essentiële informatie niet toegankelijk door een andere techniek.

Figuur 16. (De verlaten) Topografie en SCM (juiste) dC/dV van a crosssectioned transistor van een Pentium II bewerker. 1.25ìm aftasten.

Naast weergave, kan SCM ook worden gebruikt om dC/dV tegenover de krommen van V in geselecteerde posities inzake de steekproef te meten. In figuur 17, de steekproef is bias van GELIJKSTROOM hellend tussen twee userselected waarden, en de de sensoroutput van SCM (dC/dV) wordt gecontroleerd en in kaart gebracht. De hoogste kromme werd gemeten op een n-type steekproef, terwijl de bodemkromme op een p-type steekproef werd gemeten. Zoals verwacht, resulteren de verschillende types in een verschillend teken van het signaal dC/dV, en de verschillende additiefniveaus resulteren in een verschillende intensiteit van het signaal dC/dV.

Figuur 17. dC/dV tegenover de krommen van V met SCM op twee verschillende plaatsen van een steekproef worden gemeten die: n-type, 2x10¹⁷atoms/cm³ (hoogste kromme) en p-type, 3x10¹⁹atoms/cm³(bodemkromme).

Figuur 18 illustreert topografie (links), omvang (midden), en (juiste) capacitieve weerstand van hoogste metaal en diëlektrische geëtste laag van een cel van de BORREL van het Silicium.

Figuur 18. (Verlaten) Hoogte of topografie, de omvang dC/dV van de Capacitieve Weerstand (SCM) (midden), en de fase (juiste) beelden van de Capacitieve Weerstand (SCM) dC/dV van een conventionele cel van de BORREL van het Silicium. Het Hoogste metaal en de diëlektrische lagen werden geëtst om Silicium bloot te stellen. Het de fasebeeld van SCM dC/dV onderscheidt ptype (heldere kleur) en n-type (donkere kleur) gesmeerde gebieden. npn en pnp transistors in BORREL wordt de cel dan duidelijk gevisualiseerd, toestaand extractie van kritieke parameters, b.v., efficiënte poortlengte, en het visualiseren tekorten. Het de omvangbeeld van SCM dC/dV toont relatieve omvang van additiefconcentratie: de heldere kleur betekent grotere uitputtingscapacitieve weerstand, en daarom, lager gesmeerde gebieden (b.v., goed implant gebieden).

Figuur 19 illustreert capacitieve weerstand (links) en (juiste) topografie van een ionen-geïnplanteerde structuur die van het Silicium uit n-type implant in een p-type substraat bestaat.

Figuur 19. Van de Capacitieve Weerstand (SCM) (de verlaten) fase dC/dV en hoogte/topografie (de juiste) beelden van een ionen-geïnplanteerd Silicium structureren het bestaan uit n-type implant (donkere gebieden) in een p-type substraat. Extra (ondiepere) p-type implant kan worden waargenomen. De structuur is dwars-gesegmenteerd door standaard het oppoetsen technieken.

SCM is ook een zeer waardevol hulpmiddel voor mislukkingsanalyse van halfgeleiderapparaten. De techniek van SCM staat visualisatie van toe of een bepaalde inplanting aanwezig is, of het het correcte type (n of p), de verwachte afmetingen (zowel diepgaand als zij), en andere kenmerken is. Een typisch voorbeeld van de mislukkingsanalyse wordt getoond in figuur 20. Een oppervlakte werd in dwarsdoorsnede gemaakt door een aantal apparaten, met inbegrip van één gekend om slechte elektroapparatenkenmerken te hebben. Het beeld van SCM van een goed apparaat wordt getoond in het hoogste beeld; het beeld van SCM van het overeenkomstige gebied van het slechte apparaat wordt getoond in het bodembeeld. Het bodembeeld wijst erop dat twee gebieden inplanteerden (d.w.z. de heldere gebieden: n-type implant en n-type goed implant) raken, terwijl zij van elkaar zouden moeten worden gescheiden. Deze „kortsluiting“ resulteerde in een zeer hoge lekkagestroom van dit bepaalde apparaat.

Figuur 20. Het beeld van SCM van een goed (bovenkant) en het ontbroken apparaat (van het bodem) silicium. Het bodembeeld toont een kortsluiting tussen de twee gesmeerde gebieden. 8ìm x 2ìm aftasten.

Ferroelectric dunne films zijn zeer aantrekkelijk voor hun mogelijke toepassingen in niet-vluchtig geheugen en microelectromechanical apparaten (MEMS). De daling van grootte (onderaan aan tientallen nanometers) van deze apparaten vereist een aangewezen beschrijving van de materiële eigenschappen en de processen in ferroelectric films. Bijvoorbeeld, is het fundamenteel om te onderzoeken en of ferroelectric structuren met nanometerafmetingen nog ferroelectric en piezoelectric eigenschappen tentoonstellen, te bestuderen hoe deze eigenschappen door de totale grootte worden beïnvloed. SCM is een mogelijke techniek voor deze studies. Bijvoorbeeld, verstrekt SCM een methode om het teken van de helling van cv voor de ferroelectric steekproef en, vandaar, de domein of polarisatiestaat in de dunne film te meten. SCM is gebruikt aan beeld en gemanipuleerd de domeinstructuur in een ferroelectric film_1.0dunne van Pb_0.04(_0.28Nb_0.68Ti van Zr₃ ) O (PNZT). Op een gebied van 25x25ìm, werd het uiteinde afgetast met een de steekproef bias voltage van GELIJKSTROOM van -12V en later werden de kleinere gebieden geschreven met de steekproef bias voltages van GELIJKSTROOM van tegenovergestelde polariteit. Een klein AC bias voltage werd aan beeld de gepolariseerde gebieden, d.w.z., gebruikt om de omvang en het teken van de helling van de kromme van cv bij nul bias van GELIJKSTROOM te bestuderen. Figuur 21 toont het beeld van SCM op het recht en het overeenkomstige AFM topografiebeeld op de linkerzijde. De donkere en lichte contrastgebieden wijzen tegengesteld op gepolariseerde gebieden, waar het signaal dC/dV van met hoge weerstand maar tegenover teken is.

Figuur 21. Het Topografische (weggegaan) en (juiste) beeld van SCM dC/dV van een ferroelectric film PNZT. De Donkere en heldere gebieden beantwoorden aan tegengesteld gepolariseerde gebieden. De verschillende polarisatiegebieden werden geschreven gebruikend SCM bij verschillende aftastengrootte en steekproef bias voltages voorafgaand aan dit aftasten van SCM. 25ìm aftasten. De hoffelijkheid CH van de Steekproef. Ganpul en M. Ramesh, Universiteit van Maryland.

Bovendien kan SCM de polarisatie (of van cv) krommen van kleine ferroelectric condensatoren, of zelfs van enige ferroelectric korrels ook meten. Dit is onmogelijk met conventionele sonderende technieken. Figuur 22 illustreert topografie (links) en (juiste) capacitieve weerstand van FerroElectric dunne film bovenop platinaelektrode. Terwijl figuur 23 ongeveer de zelfde die gebieden zoals binnen boven beelden toont, maar nu met een 5V GELIJKSTROOM tussen uiteinde en steekproef wordt toegepast. Het voltage van GELIJKSTROOM verandert de polarisatie dusdanig dat alle korrels de zelfde polarisatiestaat hebben. En ten slotte, toont figuur 24 hysterese typisch van een ferroelectric domein op één enkele korrel met de gelokaliseerde capacitieve weerstandsspectroscopie tegenover toegepaste GELIJKSTROOM bias (v).

Figuur 22. De Hoogte/(verlaten) topografie en de capacitieve weerstand (SCM) dC/dV faseren (juiste) beelden van FerroElectric dunne film bovenop platinaelektrode. Het beeld van de Hoogte toont de korrelige structuur van dunne film met 20100nm korrels rangschikte. Het de fasebeeld van SCM dC/dV toont staten van de individuele korrels de' polarisatie; het wordt verkregen door een klein omvangAC voltage tussen uiteinde en steekproef toe te passen die de capacitieve weerstand bij de zelfde frequentie moduleert (het voltage van GELIJKSTROOM wordt gehouden bij 0V om de polarisatiestaat niet te veranderen door de aanwezigheid van uiteinde AFM). Ferroelectric polarisatiestaat wordt door lastenmeting bepaald in SCM wordt uitgevoerd dat. De resolutie van de techniek van SCM staat men toe om variaties binnen enige korrels waar te nemen.

Figuur 23. Ongeveer waren de zelfde gebieden zoals binnen boven beelden, maar nu met een 5V GELIJKSTROOM tussen uiteinde en steekproef van toepassing. Het voltage van GELIJKSTROOM verandert de polarisatie dusdanig dat alle korrels de zelfde polarisatiestaat hebben.

Figuur 24. De Gelokaliseerde exclusieve capacitieve weerstandsspectroscopie (aan SCM) dC/dV tegenover toegepaste GELIJKSTROOM bias (v) op één enkele korrel toont de hysterese typisch van een ferroelectric domein. De gegevens kunnen worden geïntegreerd eens om een Capacitieve Weerstand tegenover bias kromme van GELIJKSTROOM te verkrijgen, en tweemaal een relatieve Polarisatie tegenover bias kromme van GELIJKSTROOM te verkrijgen.

Terwijl de sonde over de dwarsdoorsnede van het halfgeleiderapparaat wordt afgetast, wordt de elektroweerstand tussen het geleidende uiteinde gemeten en een grote stroom die achtercontact verzamelen. Wanneer de toegepaste kracht een bepaalde drempelkracht overschrijdt, wordt de gemeten weerstand overheerst door de uitspreidende weerstand. Voor de structuren van Si, worden de hoge krachten (typisch, een paar ìN) vereist om het inheemse oxyde te doordringen en een stabiel elektrocontact te vestigen. Aangezien de standaardsondes AFM bij dit hoge krachten misvormen, gesmeerde diamant of diamant-met een laag bedekte silicium zijn sondes aangewend. De de extreme hardheid, modulus van hoge Jongelui, en het elektrodiegeleidingsvermogen door het smeren wordt verkregen maken diamant bijzonder voor gebruik geschikt als SSRM materiaal van de uiteindedeklaag.

In figuur 25, is de analyse uitgevoerd op een de transistorstructuur van Si DMOS. De transistorstructuur was dwars-gesegmenteerd om de verschillend gesmeerde gebieden bloot te stellen, en dan opgepoetst gebruikend standaard het oppoetsen technieken. Het topografische (verlaten) beeld toont vrij het al-Contact (zwart gebied), het onderliggende (bruine) oxyde en duidelijk polysilicon en onderliggende het poortoxyde. Het SSRM (juiste) weerstandsbeeld toont de elektrisch actieve gebieden. De verschillende kleuren wijzen op verschillende niveaus van weerstandsvermogen: dark wijst hoogst op geleidende gebieden, en helder wijst op laag geleidingsvermogen. Duidelijk waarneembaar is hoogst gesmeerd n⁺- (zwart) substraat; het lagere gesmeerde n-epilayer (donkere bruin); p⁺- lichaam (dat hoogst weerstand biedend) verschijnt, n⁺- inplanteert (zwarte), het metaal en de oxydegebieden, evenals het hoogst geleidende polysilicon materiaal. De posities van de Verbinding beantwoorden aan de scherpe overgang tussen de diverse kleurenniveaus.

Figuur 25. Het juiste) aftasten (van de verlaten) Topografie en van de weerstand (van een dwars-gesegmenteerde transistor van Si DMOS. 12ìm aftastenhoffelijkheid IMEC, België.

Figuur 26 illustreert een beeld SSRM van een dwars-gesegmenteerde condensator die een metaal kenmerken filmgebied met diëlektrisch tussen hen denkt. De beelden SSRM zijn vaak complementair aan de beelden van SCM, aangezien de beelden van SCM geen signaal op diëlektrica en metalen geven, terwijl SSRM een groot contrast tussen twee toont.

Figuur 26. Hoogte SSRM en weerstands de beelden van crosssectioned condensator. De condensator heeft het gebied van de metaal dunne film met diëlektrisch tussen hen. Als er lekkagewegen tussen de verschillende elektrocontacten waren, zou het weerstandsbeeld hen (niets gevonden in dit beeld) tonen.

In een tweede voorbeeld (figuur 27), werd de weergave SSRM uitgevoerd op siliciumMOSFET met een poortlengte van 0.25ìm. Het (verlaten) beeld toont de verschillend gesmeerde gebieden - bron, afvoerkanaal, en poort - als hoogst geleidende (donkere) gebieden, diëlektrisch en substraat als laag-geleidingsvermogengebieden, evenals intermediately geleidend gebied. De bron en afvoerkanaalverbindingen worden waargenomen zoals dunne, heldere lijnen van laag geleidingsvermogen. Een sectie door het brongebied van de transistor wordt wordt ook getoond in (juiste) figuur 27 gemaakt die. De sectie toont van links naar rechts: de diëlektrische hoogste laag, bronimplant (p-type), de verbindingspiek, goed (n-type), en het substraat. De verbindingsdiepte kan gemakkelijk uit deze sectie als afstand tussen de verbindingspiek en de diëlektrische hoogste laag worden gehaald, en om 184nm gevonden te zijn.

Figuur 27. SSRM weerstandsaftasten van een dwars-gesegmenteerde 0.25ìm siliciumMOSFET transistor. 2ìm aftastenhoffelijkheid IMEC, België.

Naast silicium, zijn de samenstellingshalfgeleiders ook van duidelijke belangstelling. LEDs, de fotodetectoren, en de diodelasers zijn slechts enkelen van de vele die apparaten van IIIV en IIVI halfgeleiders worden vervaardigd. De Kennis van de tweedimensionale distributie van geleidingsvermogen (de elektro-actieve additiefatomen in het bijzonder) is belangrijk voor proces ontwikkeling en controle. Voor samenstellingshalfgeleiders, is de steekproefvoorbereiding minimaal; het eenvoudige splijten verstrekt de beste oppervlakte op complexe steekproeven, en staat weergave van kritieke apparateneigenschappen na toe slechts notulen van steekproefvoorbereiding. Het Metaal en de metaal-met een laag bedekte siliciumuiteinden blijken voldoende stijf voor stabiele en reproduceerbare metingen te zijn SSRM. Voor goed signaal aan lawaaiverhouding, wordt een vrij hoog bias voltage (verscheidene volts) in combinatie met een middelgrote sondedruk (subìN) vereist. Een voorbeeld van het high-resolution carrier dichtheid profileren beschikbaar met SSRM kan in de dwars-gesegmenteerde op inP-Gebaseerde die heterostructuur worden gezien in figuur 28 wordt getoond.

Figuur 28. (Van de verlaten) Topografie en van de weerstand SSRM (het juiste) aftasten van een op inP-Gebaseerde heterostructuur. 7ìm aftasten. De hoffelijkheid van de Steekproef van M. Geva, Lucent Technologies, Breinigsville, PA.

Het weerstandsbeeld toont de verschillende gebieden van de heterostructuur: afwisselend Zn-Gesmeerd p-type en s-Gesmeerde n-type lagen met verschillende diktewaarden. Het beeld openbaart de tweedimensionale aard van de lagen naar het mesagebied. Dit voorbeeld toont analytische macht SSRM in tweedimensionale weergave van carrier distributies op de structuren van de samenstellingshalfgeleider, en in het bijzonder, voor de analyse van heterostructuren InP, een gebied aan dat hoge rente bereikt.

SSRM kan ook voor het bestuderen van de elektrische eigenschappen van nonsemiconductormaterialen worden gebruikt. Dit omvat toepassingen voor metalen, semimetals, geleidende polymeren, en andere intermediately geleidende materialen. Voor optimale prestaties, vereisen de verschillende materialen vaak verschillend sondemateriaal en kracht vastgestelde punten. In het voorbeeld in figuur 29, is een film van Cu imaged. De korrelige structuur van de film wordt duidelijk waargenomen in de topografische gegevens. De Ssrm- weerstandsgegevens tonen aan dat het weerstandsvermogen van de korrels hoger is naar de randen, in vergelijking tot het centrum van de korrels. Merk op dat de gemiddelde korrelgrootte 30nm is, en de ruimteresolutie is op de orde van 5nm.

Figuur 29. (Van de verlaten) Topografie en van de weerstand SSRM (het juiste) aftasten van een korrelige metaalfilm. 500nm aftasten.