Сканирующая Емкостная Микроскопия

Развитие электроники направлено на увеличение производительности и снижения энергопотребления. Это достигается, прежде всего, уменьшением размеров полупроводниковых устройств. В связи с этим, стандартные методы определения характеристик полупроводников, такие как масс-спектроскопия вторичных ионов (SIMS), профилирование сопротивления растекания (SRP) и другие, не обеспечивают эффективного определения функциональных свойств в масштабе субустройства. Решение данной задачи возможно с использованием сканирующей зондовой микроскопии, позволяющей получать изображения устройств и проводить мониторинг электронных процессов.

В частности, сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ), является мощным методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) для определения характеристик полупроводниковых приборов — благодаря ее неразрушающему действию, а также высокому пространственному разрешению и электрической чувствительности.

СЕМ предназначена для исследования распределения поверхностной емкости по образцу, что в свою очередь отображает концентрацию носителей и профили легирования в неоднородно легированных образцах. Также методика применяется для анализа отказов в полупроводниковой промышленности, поскольку позволяет отображать локализованные заряды и электронные дефекты с нанометровым разрешением.

Рисунок 1 — Первый проход; получение рельефа поверхности

Рисунок 2 — Второй проход (Mag – токовый сигнал пропорциональный амплитуде колебаний зонда)

Сканирующая емкостная микроскопия — это разновидность электростатической силовой микроскопии, аналогично которой в СЕМ используется двухпроходная методика для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования.

Метод проведения измерений заключается в следующим: на первом проходе снимается изображение рельефа по полуконтактному методу (рисунок 1).

Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние dZ, между зондом и образцом подается напряжение смещения U0, переменное напряжение U1·sin(ωt), и осуществляется повторное сканирование. Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты зондового датчика. На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца (рисунок 2). Поскольку в процессе сканирования расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке одинаково, изменения амплитуды колебаний зонда на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец.

Расстояние, на котором находиться зонд над поверхностью должно быть достаточно большим для исключения влияния рельефа. Тогда зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад в которые вносят емкостные свойства образца. Однако расстояние dZ не должно быть чрезмерно большим, так как с его увеличением уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение.

Ниже представлены некоторые примеры результатов сканирующей емкостной микроскопии.

Рисунок 3 — СЕМ-изображение поверхности полупроводника:

яркая область на изображении топографии представляет собой термически выращенный рисунок диоксида кремния высотой 70 нм;

яркие круглые и округло-прямоугольные области на изображении СЕМ сильно легированы ионом As+ с энергией 50 кэВ и плотностью дозы 1014 ионов/см²