Исследование электрических свойств полупроводниковых устройств с помощью SCM и SKPM методов на атомно-силовом микроскопе

ИЮЛ182016

Полупроводниковые устройства являются основной составляющей современных электронных продуктов благодаря их способности образовывать электрические схемы на основе транзисторов, диодов и интегральных схем, которые широко используются во многих сферах производства (например, аналоговые и цифровые компоненты компьютеров ^[1]). Исследование ключевых параметров, таких как уровень концентрации легирующего материала, тип носителей заряда и плотность дефектов, имеет важную роль при анализе общей производительности полупроводникового устройства.

Отсюда следует, что необходимо использование технологии, которая позволит измерять данные параметры и свойства этих материалов в наномасштабах, чтобы оценивать степень надежности производимых устройств. Существует несколько методов по изучению свойств полупроводников: сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), масс-спектроскопия вторичных ионов (SIMS), измерения тока, индуцированного электронным пучком (EBIC), одномерное измерение емкости (C-V) и пр. ^[2].

Однако, некоторые из этих методов оказывают разрушающее воздействие на исследуемые образцы, другие требуют длительной пробоподготовки перед началом исследований, третьи имею плохое разрешение по определению пространственного заряда и т.д. Эти недостатки в методах анализа совместно с тенденцией к уменьшению физических размеров самих элементов, а, следовательно, с повышением требований по контролю, привели к необходимости использования устройств нового поколения, способных получать точные характеристики полупроводниковых устройств. Чтобы отвечать требованиям контроля в данной области были применены различные типы сканирующей зондовой микроскопии (SPM).

Было показано, что совместное использование сканирующей емкостной микроскопии (SCM) и сканирующей микроскопии с зондом Кельвина (SKPM) и атомно-силовой микроскопии (AFM) является наиболее мощной технологией для анализа полупроводниковых устройств благодаря ее неразрушающему методу контроля, высокой точности получаемых результатов до наномасштабов и отсутствию необходимости в подготовке образца для проведения измерений. В добавление, объединение данных методов с атомно-силовой микроскопией позволяет не только определять электрические свойства, но также исследовать и топографию поверхности изготавливаемых элементов и устройств без необходимости замены сканирующего зонда.

В данной статье описывается использование методов SCM и SKPM на атомно-силовом микроскопе компании Park Systems для исследования электрических свойств SRAM устройства (статическое ОЗУ).

Эксперимент

Образец SRAM ^[3] был исследован с помощью атомно-силового микроскопа NX20 ^[4]. Информация об электрических свойствах была получена при нормальных условиях с помощью двух методов: SCM и SKPM. В обоих случаях использовался кантилевер с металлическим покрытием на наконечнике.

Метод SCM ^[5]: С помощью контактного метода измерения одновременно была получена топография поверхности образца и измерена его емкость. Электрические свойства образца измерялись в зависимости от изменения частоты колебаний амплитуды сигнала (RF), вызванного изменениями электрической емкости между образцом и кантилевером. Для проведения измерений данным методом использовались СВЧ резонатор, модуль формирования кадра, держатель кантилевера для метода SCM, держатель образца для метода SCM и чип с проводом, на который крепится кантилевер, для метода SCM. Держатель кантилевера для метода SCM был подключен к RF датчику, состоящему из СВЧ резонатора и модуля формирования кадра, чтобы регистрировать изменения электрической емкости между кантилевером и образцом во время сканирования.

Модуль формирования кадра генерирует и усиливает управляющий сигнал, который колеблет резонатор во время измерений. СВЧ резонатор преобразует изменение электрической емкости между кантилевером и образцом в RF сигнал. Резонансная частота самого резонатора пропорциональна, где L – индуктивность резонатора, а C – его емкость. В данном эксперименте использовалась резонансная кривая с пиком на 697.8 МГц (см. рис. 1). Эта кривая имеет крутой фронт на рабочей резонансной частоте 705.4 МГц. Эта та точка, в которой изменения амплитуды из-за сдвига частоты, вызванного изменением емкости между кантилевером и образцом, будут легче всего наблюдаться.

Рис. 1. График RF кривой, отображающий зависимость SCM сигнала (В) от частоты (МГц). Оптимальная частота для колебания резонатора, при которой достигается самая высокая чувствительность при получении SCM изображения составляет 705.4 МГц.

Выходной сигнал резонатора отслеживается и регистрируется с помощью синхронизации, чтобы получить конечную картину распределения емкости. В данном эксперименте использовался синхронный усилитель, встроенный в блок контролирующей электроники, с частотой переменного тока 17 кГц, чтобы собирать данные измерений после оптимизации параметров сканирования. Также параметры SCM изображения были оптимизированы за счет тщательного отслеживания SCM сигнала. Напряжение смещения по амплитуде было выбрано в 1 В, а по фазе смещение было выбрано в 0°. Также, для контроля выходных сигналов был выбран фильтр второго порядка с постоянной времени в 1 мс. Чувствительность в 1 В была выбрана для исключения нежелательных шумов.

Метод SKPM: В данном методе измерений присутствуют два вида сил между кантилевером (к нему приложено напряжение смещения) и поверхностью образца – электростатические силы и силы Ван-дер-Ваальса. Электростатические силы используются для определения электрических свойств образца, тогда как силы Ван-дер-Ваальса помогают определять топографию поверхности исследуемого образца. Информация, получаемая через кантилевер содержит данные как о топографии поверхности, так и об электрических свойствах образца, поэтому главным является метод, способный отделить один вид информации от другого.

Ранее было предложено несколько методов, способных выполнять такое разделение информации и один из таких методов назывался двухпроходное сканирование. Однако, данный метод в два раза медленнее по сравнению со стандартными методами, используемыми в атомно-силовой микроскопии для получения изображений, поскольку необходимо было выполнять два отдельных сканирования. Поэтому в АСМ NX20 используется синхронный усилитель, который отделяет один сигнал от другого. Это позволяет собирать всю информацию за один цикл сканирования. В данной системе используется два усилителя (усилитель 1 и усилитель 2).

Усилитель 1 собирает данные о топографии, анализируя движение кантилевера под действием сил Ван-дер-Ваальса. Усилитель 2 собирает данные об электрических свойствах, анализируя частоту приложенного к кантилеверу напряжения смещения, которое, в свою очередь, способствует электростатическому взаимодействию с образцом. Частота прикладываемого напряжения смещения выбирается меньше (порядка 17 кГц) резонансной частоты колебаний самого кантилевера (70 – 330 кГц), что достаточно для того, чтобы оба сигнала не взаимодействовали друг с другом ^[6].

В ходе эксперимента, усилитель 2 с напряжением смещения 17 кГц был выбран после оптимизации параметров сканирования для сбора данных о топографии поверхности. Кроме того, отдельное постоянное напряжение смещения было приложено к кантилеверу и таким образом, через механизм обратной связи, разница между электрическими колебаниями кантилевера и образца поддерживалась постоянной. Регистрация изменений постоянного напряжения смещения, которые вносились для поддержания постоянного значения между электрическими колебаниями, и есть измеряемое значение электрического потенциала исследуемой поверхности ^{[6, 7]}.

Результаты

Наиболее интересная область для исследования анализируемого образца – NMOS (МОП-структура с каналом n-типа). Все полученные данные были обработаны с помощью специального программного обеспечения XEI, разработанного компанией Park Systems. Топографические изображения отчетливо показывают область NMOS, но не содержат никакой информации и типе и уровне концентрации легирующего вещества. Эта информация была получена из изображений, сделанных с помощью методов SCM и SKPM (на них показана не только NMOS структура, но также тип и концентрация легирующих веществ во всем образце).

На рисунке 2 представлены изображение топографии и SCM изображение SRAM с областями с различной концентрацией легирующего вещества (от 2×10¹⁶ см^-3 до 2×10²⁰ см^-3). На SCM-изображении четко видны зоны с разным типом легирования и с разной концентрацией. Визуальные цветовые переходы светлых оттенков (p-тип) и темных оттенков (n-тип) помогают оценивать степень концентрации. Интенсивность оттенка соответствует степени концентрации. Например, p-канал (p-channel of NMOS) со степенью концентрации 1×10¹⁷ см^-3 четко виден на SCM-изображении. Узкие области p-канала, примерно 100 нм шириной, указывают на отдельные области с противоположным по типу легирующим веществом (стандартная конфигурация NPN транзистора).

Кроме того, разрешения SCM-изображения достаточно для того, чтобы показать несколько темных областей в изготавливаемом устройстве, говорящих о том, что оно предназначалось для легирования положительным материалом. Получение электрических свойств с такой точностью является ключом к пониманию функционирования всего устройства.

Рис. 2. Топография и анализ поверхности (слева, красная линия) и SCM-изображения и анализ концентрации (справа, зеленая линия) SRAM образца. Измеренный уровень концентраций: p-epi: 2×10¹⁶ см^-3;   n well: 2×10¹⁷ см^-3; p-канал: 1×10¹⁷ см^-3; n⁺ контакты: 2×10²⁰ см^-3

Анализ полученных изображений (по сечениям как показано выше) позволяет существенно понять устройство полупроводникового устройства. В данной работе сначала был проведен анализ топографического изображения (красная линия на рисунке 2). При сравнении данного сечения с SCM-изображением четко видно, что каждый NPN транзистор отделен друг от друга слоем с высокой концентрацией положительного легирующего материала глубиной примерно в 1 мкм. Края каждого транзистора ограничены слегка приподнятой областью на высоту около 0.1 мкм.

Если наложить топографическое изображение на SCM-изображение, то видно, что границы каждого слоя имеют более низкую концентрацию легирующего вещества (т.к. данные области более темные), чем n⁺ контакты, входящие в состав NPN транзистора. Дальнейший анализ того же профиля SCM-изображения (зеленая линия на рисунке 2) также подтверждает эти данные. Области, расположенные непосредственно до и после границ (опять же, характеризуются сильным уменьшением концентрации положительного легирующего материала), имеют более отрицательные значения (-30 мкВ), чем остальные зоны с отрицательным легирующим материалом (-10 мкВ).

Дополнительные исследования могут быть также проведены и в центральной области, где p-каналы, поднятые на высоту примерно 0.1 мкм относительно n⁺ контактов, расположены перпендикулярно p-epi слою устройства. Эти центральные p-каналы имеют более низкую концентрацию положительного легирующего вещества (полученное значение порядка 80-90 мкВ), поскольку видно, что они имеют более светлый оттенок как на SCM-изображении, так и на топографическом изображении.

Несмотря на то, что SCM метод предоставляет превосходные по разрешению данные о топографии поверхности и ее электрических свойствах, для его реализации необходимо приобретать дополнительные комплектующие. Кроме того, данный метод выполняется путем контактного режима измерения, что приводит к более быстрому расходованию кантилеверов по сравнению с бесконтактным методом измерения.

В ситуациях, когда нет возможности приобрести дополнительные компоненты, электрические свойства можно изучать с помощью метода SKPM (сокращенный, но не менее действенный), измеряющего потенциал поверхности. Данный метод также предоставляет исследователям возможность получать изображения с отображением электрических свойств, сравнимые с SCM-изображениями (имеет более низкую детализацию).

Оба метода позволяют изучать структуру устройства и определять концентрации легирующих материалов. Области, в которых присутствует отрицательный легирующий материал, также окрашены в более темные тона, а те, в которых присутствует положительный легирующий материал, окрашены в более светлые тона (см. рис. 3). Основное отличие между двумя методами заключается в том, что второй метод имеет более низкое латеральное разрешение (в плоскости XY) и более низкую чувствительность определения концентрации легирующих материалов.

Сравнивая SCM- и SKPM-изображения, видно, что измеренная ширина p-каналов для второго метода больше. С одной стороны это объясняется тем, что SCPM метод работает по такому принципу, что в результате регистрируется потенциал всей поверхности образца, тогда как SCM метод основан на прямом контакте проводящего кантилевера с поверхностью образца для регистрации электрической емкости.

С другой стороны это можно объяснить тем, что метод SKPM подвержен влиянию зарядов, находящихся в окружающем пространстве около кантилевера, а также влаги, которая осела на поверхности образца (она также может служить источником изменений в распределении заряда). При использовании же метода SCM также можно сказать, что кантилевер и собственно его наконечник проходит данный слой насквозь и тем самым менее подвержен влиянию сторонних зарядов из окружающей среды.

Рис. 3. Топография (слева) и SKPM-изображение (справа) SRAM образца. Измеренный уровень концентраций: p-epi: 2×10¹⁶ см^-3;   n well: 2×10¹⁷ см^-3; p-канал: 1×10¹⁷ см^-3; n⁺ контакты: 2×10²⁰ см^-3

Заключение

С помощью методов SCM и SKPM на атомно-силовом микроскопе NX20 компании Park Systems были исследованы топография поверхности и электрические свойства SRAM. Данные, полученные в результате эксперимента, показывают, что оба метода способны проводить качественный и количественный анализ в области получения электрических свойств полупроводниковых устройств. Также было показано, что метод SCM обладает большим пространственным разрешением и большей чувствительностью (т.к. контраст полученного изображения выше) по сравнению с методом SKPM. Однако метод SKPM также остается эффективным инструментом для проведения исследований и последующего анализа в данной области.

Подводя итог, можно сказать, что оба метода успешно используются как учеными, так и инженерами для получения высокоточных данных об электрических свойствах полупроводниковых устройств, что помогает им увереннее и проще оценивать надежность изготавливаемых продуктов и контролировать процесс производства в наномасштабах.

Подробные характеристики
атомно-силового микроскопа Park NX20

Ссылки

1. M. Deen, et al., Electrical Characterization of Semiconductor Materials and Devices. Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, pp 409-438
2. D. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd Edition, Wiley Interscience, Chemical and Physical Characterization, pp 627-659
3. SCMSAMPLE. (n.d.). Retrieved June 20, 2016 From http://www.brukerafmprobes.com/a-3553-scmsample.aspx
4. Park NX20 Atomic Force Microscope. (n.d.). Retrieved June 13, 2016 From http://www.parkafm.com/index.php/products/research-afm/park-nx20/overview
5. Park SCM Technique From http://www.parkafm.com/index.php/park-spm-modes/94-electricalproperties/235-scanning-capacitance-microscopy-scm
6. Park AFM Modes and Techniques. (n.d.). Retrieved June 13, 2016 From http://www.parkafm.com/index.php/park-afm-modes
7. W. Melitz, et al., Kelvin probe force microscopy and its application, Surface Science Reports 66 (2011) 1–27, pp 2--‐4