Сканирующая емкостная микроскопия (SCM)

Изображение изменений емкости высокого разрешения и чувствительности

Оценка устройства с применением неразрушающего контроля и высокого пространственного разрешения

Физическая оценка полупроводникового устройства является сложнейшей задачей для инженеров и исследователей. До сих пор стандартные методы оценки полупроводников не обладали достаточной эффективностью для выполнения двумерного контроля в мельчайшем масштабе. Данные методы включают в себя: сканирующую электронную микроскопию (SEM), просвечивающую электронную микроскопию (TEM), вторичную масс-спектрометрию (SIMS), профилирование сопротивления растекания (SRP), линейное емкостное сопротивление (C-V) и др. С появлением мельчайших устройств и требований высокой надежности их работы требуются новые инструменты контроля. В качестве альтернативы применяются разные типы сканирующей зондовой микроскопии (SPM) не только для описания характеристик полупроводниковых устройств, но и для мониторинга процессов в полупроводниках. Сканирующая емкостная микроскопия (SCM) в сочетании с атомной силовой микроскопией (AFM) является одним из наиболее мощных методов описания полупроводниковых устройств благодаря неразрушающему режиму контроля и высокому пространственному разрешению.

Рисунок 1. Конденсатор MOS сформирован зондом SCM и полупроводниковым образцом.

Сканирующая емкостная микроскопия (SCM) АСМ серии XE отображает пространственные изменения емкости. Одной из наиболее распространенных задач SCM является отображение профилей распределения легирующих примесей в образце. Например, распределение легирующей примеси в полупроводниках с ионным внедрением, которое характеризует электрические свойства оксидного слоя затвора в металл-оксид-полупроводниковом устройстве (MOS) и отображает распределение дефектов с помощью SCM. Микроскопия SCM также применяется в сфере производства энергонезависимой памяти ультравысокой плотности.

SCM состоит из проводящего металлического зонда и высокочувствительного емкостного датчика в дополнение к стандартным компонентам АСМ. По аналогии с EFM, в SCM подводится напряжение между зондом и образцом, как в структурах MOS. Металлический зонд в контакте с оксид-полупроводниковым образцом формирует конденсатор MOS. Конденсатор MOS состоит из двух последовательно расположенных конденсаторов: один из них выполнен из изолирующего оксидного слоя, а другой – из активного обедненного слоя около оксид-силиконовой контактной поверхности. На рисунке 1 изображен конденсатор MOS, сформированный зондом SCM и полупроводником. Суммарная емкость зависит от толщины оксида и толщины обедненного слоя, который определяется концентрацией носителей заряда в силиконовой подложке и величиной постоянного напряжения между зондом и полупроводником. На рисунке 2 показана зависимость емкости и дифференциальной емкости соответственно от постоянного напряжения. На рисунке 2 (a) представлена стандартная зависимость высокочастотной емкости от напряжения (C-V) для полупроводниковых образцов  p-и n-типов. Низкая концентрация носителей заряда соответствует относительно высокой амплитуде в дифференциальной емкости. Постоянное напряжение DC изменяет толщину обедненного слоя в силиконовой подложке. Кроме того, переменное напряжение вызывает изменение емкости на краю обедненного слоя при фиксированном постоянном напряжении.

Рисунок 2. Зависимость (a) емкости и (b) дифференциальной емкости от напряжения DС для полупроводников n-типа и p-типа.

Рисунок 3. Положительные и отрицательные заряды в изоляторе и полупроводнике вызывают параллельный сдвиг в высокочастотной кривой C-V и dC/dV вдоль оси напряжений.

Захваченные заряды в изоляторе и полупроводнике вызывают параллельный сдвиг в высокочастотной кривой C-V вдоль оси напряжений. На рисунке 3 показано, что положительные и отрицательные захваченные заряды вызывают сдвиг кривых C-V и dC/dV влево и вправо соответственно. При нулевом напряжении емкость и величина dC/dV для заряженного состояния отличается от dC/dV в незаряженном состоянии.

Рисунок 4. Схема измерения dC/dV для полупроводникового образца p-типа.

На рисунке 4 представлена схема измерения dC/dV для полупроводникового образца p-типа. Переменное напряжение создает вариацию емкости при фиксированном постоянном напряжении. Синхронный усилитель способен обнаружить изменение амплитуды и фазы в сигнале емкости при одинаковой частоте переменного напряжения AC при заданном постоянном напряжении. Таким образом, выходной сигнал усилителя пропорционален наклону кривой С-V при заданном постоянном напряжении. Поэтому данный сигнал равен дифференциальной емкости (dC/dV). Микроскоп SCM обнаруживает дифференциальную емкость при фиксированном постоянном напряжении и переменном напряжении смещения в тот момент, когда зонд пересекает области с концентрацией носителей зарядов.

На рисунке 5(a) показан рабочий механизм измерения емкости  SCM серии ХЕ. Емкостной датчик работает совместно с осциллятором RF (~1ГГц), который совмещен с резонатором и цепью мощного детектирования RF. Резонатор представляет собой резонансный контур, размещенный вдоль зонда и образца. Изменение емкости в паре «зонд-образец» приводит к изменению резонансной характеристики резонатора и появлению разницы амплитуды выходного сигнала напряжения на диодном детекторе.

Рисунок 5. (a) Схема SCM серии ХЕ. (b) Изменение емкости в паре «зонд-образец»

Рисунок 6. Сравнение волны XE SCM (красный) и волны стандартного SCM (голубой). Резонансные кривые разных материалов показаны для справки.

На рисунке 6 представлены резонансные кривые SCM разных образцов. Форма и расположение резонансной кривой зависит от материала. Например, резонансные частоты металлов имеют относительно малые значения, а частоты диэлектриков - наоборот, высокие. Следует обратить внимание, что резонансная частота – это не единственный параметр, который зависит от материала, добротность каждой кривой также меняется  примерно от 35до 40. В стандартном SCM применяется вибратор RF с постоянной рабочей частотой, поэтому сложно получить качественное изображение SCM металлических и диэлектрических образцов. Так как точка измерения является постоянной, сложно добиться максимальной чувствительности. Как только резонансная кривая образца уходит от рабочей частоты, изображение SCM получается нечетким, в противном случае, резонансную кривую следует вернуть обратно с помощью перенастройки режима измерения вслепую. Поэтому конструкция стандартного датчика SCM является «узким» местом и ограничивает возможности SCM.

Рисунок 7. Сравнение волны XE-SCM (красный) и волны стандартного SCM (голубой). Резонансные кривые разных материалов показаны для справки.

Рисунок 8. Зонд XE SCM с переменной рабочей частотой. Зонд полностью экранирован для снижения паразитной емкости.

Рисунок 9. Схема зонда XE SCM с переменной рабочей частотой

XE-серия SCM, как показано на рисунке 7, работает при весьма чувствительном и высоком пространственном разрешении SCM зонде совместно с рабочей частотой, чтобы выбрать оптимальную резонансную частоту и добротность для каждого измерения. Помимо этого, инновационное электрическое экранирование, как показано на рисунке 8, и диэлектрический держатель SCM позволяет проводить все измерения без влияния окружающей среды. Этот слабый диэлектрический материал снижает паразитную емкость и увеличивает соотношение S/N.

На рисунке 9 представлена схема усовершенствованного датчика SCM, который используется в XE-серии SCM. Датчик SCM подключен к  микроволновому резонатору, который оснащен внутренним переменным конденсатором. Конденсатор позволяет отрегулировать зонд для получения оптимальной резонансной частоты (fr) и добротности (Q). VCO обеспечивает превосходную стабильность частоты и новейшие режимы, в том числе развертку по частоте. Чувствительность пропорциональна и более высокая частота обеспечивает более высокую чувствительность.

Зонд SCM с переменной рабочей частотой покрывает широкий радиочастотный диапазон 160 МГц: от 890 МГц до 1050 МГц. Из полученной резонансной кривой можно усилить разрешение и чувствительность SCM зонда выбором рабочей частоты, которая имеет максимальный наклон, как показано на рисунке 5. Если резонансная кривая имеет пик слева или справа от центра, можно выбрать точку для предотвращения нелинейности выходного сигнала.

Так как датчик SCM работает в пределах радиочастотного диапазона, электромагнитная радиация от резонатора и металлической конструкции вызывает появление паразитной емкости. Поэтому излучение необходимо минимизировать изоляцией и экранированием. Мы не используем металлические материалы для изготовления механических деталей рядом с зондом, а применяем керамику. Длина провода от резонатора SCM до зонда минимальна, размер отверстия в передней части резонатора оптимизирован.

Одним из основных назначений XE-серии SCM является отображение концентрации носителей заряда в неравномерно легированном полупроводниковом образце. До сих пор стандартные инструменты, например, SIMS, SRP, и линейный C-V позволяли получать данные о примеси или концентрации носителей заряда с высокой точностью и разрешение в линейной форме. Количественный двумерный анализ можно выполнить на основе линейных измерений. Но XE-серия SCM располагает возможностями для измерения двумерной концентрации носителей зарядов с нанометрической точностью.

Рисунок 10. Сравнение изображения образца с имплантированными ионами Si XE-SCM (слева) и стандартного SCM.

Рисунок 11. (a) Топография и (b) SCM изображение полупроводниковой поверхности. Яркая область на топографическом изображении изображает серый силиконовый диоксид – слой высотой 70 нм. Яркие круглые и округлые прямоугольные области на рисунке SCM – это зоны сильного легирования ионами As+ энергией 50 кэВ и плотностью 1014 ионов/см²

На рисунках 10 и 11 представлены топография и SCM изображение полупроводниковой поверхности. Светлая область на топографическом снимке – это серый силиконовый диоксид высотой 70 нм. XE-SCM визуализирует и определяет концентрацию примеси и изменение толщины оксида на поверхности образца. Яркие круглые и округлые прямоугольные области на рисунке SCM – это зоны сильного легирования ионами As+ энергией 50 кэВ и плотностью 1014  ионов/см². Яркий контраст в области оксидов на изображении SCM указывает на то, что изменение емкости  при колебании переменного напряжения (dC/dV) незначительное, также как в легированной зоне, благодаря толстому слою оксида. Это свидетельствует о том, что SCM способен измерять относительные изменения толщины диэлектрических слоев.

На рисунках 12 (a) и (b) показан топография и двумерный профиль легирования металл-оксид-полупроводникового (МОП) полевого транзистора (MOSFET). На рисунке 12 (c) приведено контурное изображение рисунка 12(b) в зоне затвора. Область легирования, обедненный слой стока и переход можно визуализировать с помощью XE-SCM, но данные зоны невозможно увидеть на топографических снимках АСМ. Кроме того, не существует измерительных приборов для выявления обеденного слоя в канале p-n перехода.

Рисунок 12. (a) Топография и (b) двумерный профиль легирования металл-оксид-полупроводникового (МОП) полевого транзистора (MOSFET), (c) контурное изображение двумерного легированного профиля рядом с затвором.

Кроме того, XE SCM можно использовать для описания оксидного слоя затвора в устройствах MOS. Чем тоньше оксидный слой затвора, тем выше вероятность неисправности, связанной с захватом заряда в оксидном слое во время работы устройства. В настоящее время не существует инструментов, которые позволяют выявить локальную неисправность и электрические дефекты. Но XE-SCM способен отобразить локализованные заряды и дефекты в изоляторе с нанометрической точностью.

XE-SCM применяется в области производства энергонезависимой полупроводниковой памяти ультравысокой плотности. Запасенные заряды в изоляционном слое металл-изолятор-оксид-полупроводниковой (MIOS) гетероструктурной энергонезависимой памяти можно проверить с помощью XE SCM. В 1991 году Барретт (Barrett) и Куат (Quate) продемонстрировали микроскоп SCM для металл-нитрид-оксид-силиконовой (MNOS) системы.

На рисунке 13 представлено изображение перераспределения зарядов, полученное с помощью XE SCM. Заряды захватываются напряжением на поверхности SiO2   на основе P, легированной  Si, толщиной 6нм. Ниже приведено время, которое прошло по истечению действия первоначального 60-секундного напряжения в 9,5В.

На рисунке 14 представлено распределение зарядов, записанное на тонком силиконовом диоксиде. Прикладывая импульс напряжения в определенном положении букв, заряды «PSIA с подчеркиванием» захватываются в силиконовом диоксиде, тонком изоляторе. Захваченные заряды можно просматривать с помощью XE-SCM.

Рисунок 13. Изображение перераспределения заряда с помощью XE SCM. Под рисунками приведено время, которое прошло по истечению действия первоначального 60-секундного напряжения 9,5 В.

Рисунок 14. Распределение зарядов в тонком слое силиконового диоксида

Микроскопы, работающие в режиме сканирующей емкостной микроскопии (SCM):