Диссертация (1091051), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Теоретические основы работы метода зонда КельвинаМетод зонда кельвина (МЗК) или метод измерения поверхностногопотенциала, нашел широкое применение в исследовании поверхностных свойствполупроводников.используемымиМЗК,вместеметодамисЭСМ,исследованияпризнанынаиболееэлектрическихширокохарактеристикнаноразмерных структур [159-161].МЗК включает в себя два основным способа измерений – амплитудной ичастотной модуляции.
Они применяются для измерения электрической силы иградиента электрической силы соответственно [136,162].Электрическая сила (ЭС) и градиент электрической силыПроводящийзондипроводящийобразецобразуютконденсатор.Электрическая сила между ними равна:,(3.23)122где– электрическая сила,образцом. При этом,смещенияннапряжения– разность потенциалов между зондом исостоит из внешне прикладываемого напряжения, собственной контактной разности потенциалови переменного.ннн,(3.24)Объединив представленные выше формулы, получим следующие:н(н)ннн(3.25)Из формулы 3.25 следует, что приложенное переменное напряжение начастотезаставляет электрическую силу модулироватьи, которые могутбыть измерены при помощи детектирования отклонения кантилевера.
Амплитудаколебаний на частотеравна 0, когда, основной смысл приравниваниянэлектрической силы к 0 состоит в нахождении поверхностного потенциала врежиме амплитудной модуляции.Градиент ЭС связан с ЭС:,(3.26)из этого следует:наналогично,н(н)нн, (3.27)когда модуляция амплитуды градиента ЭС на частотенравна 0, то в этом случае поверхностный потенциал находится в режимечастотной модуляции МЗК.ПрименениеамплитудноймодуляцииМЗКдлядетектированияэлектрических силИзменение электрической силы, при приложении переменного напряжениямежду зондом и поверхностью можно детектировать, измерив колебаниякантилевера.
Частота переменного напряжения, как правило, подбирается такимобразом, чтобы резонансная частота АСМ не выходила за рамки механическихвозможностей зонда.123Обратная связь использует амплитуду колебаний как входной сигнал,изменяя напряжение смещения пока амплитуда колебаний не станет равной 0,тогдан.Детектирование градиента электрической силы методикой модуляциичастотыГрадиент ЭС изменяет эффективный коэффициент жесткости кантилевера.Когда проводящий зонд помещается в электрическое поле, его эффективныйкоэффициент жесткости это сумма его истинного коэффициента жесткостииградиента электрической силы.(3.28)Известно, что резонансная частота кантилевера зависит от коэффициентажесткости:√(3.29)Следовательно, градиент ЭС будет влиять на изменение резонанснойчастоты:()(3.30)Когда градиент ЭС изменяется, под воздействием переменного напряжения,резонансная частота кантилевера также изменяется.
Как следует из уравнения,резонансная частота будет изменяться на частоте переменного напряженияи наее второй гармонике. Если к механическим колебаниям кантилевера на егорезонансной частоте, одновременно приложить переменное напряжение начастотев несколько кГц, модуляция резонансной частоты возбудит две парыбоковых полос частоти.Амплитуда боковой полосы частот измеряет модуляцию амплитудырезонансной частоты. Системы обратной связи использует амплитуду боковойполосы, постоянное напряжение изменяется до тех пор, покан.Таким образом, общий принцип работы МЗК сводится к тому, чтобыпривести колебательную систему в равновесное состояние, путем изменения,124подаваемого на нее напряжения.
Напряжение, при котором система пришла вравновесноесостояние,считаетсяравнымповерхностномупотенциалуисследуемого образца. Способы применения МЗК в анализе отказов ИМСприведены [163,164].3.3.2. Определение чувствительности измерений МЗКЧувствительность измерений МЗК позволяет оценить, при какой разницеповерхностных потенциалов двух точек можно различить их значение.
Дляопределения чувствительности МЗК на графитовую пластину от источника, черезизготовленный делитель напряжения (Рисунок 3.24), подавалось постоянноенапряжение с различными значениями.100 Ом10 кОмDCРисунок 3.24 – Схема делителя напряженияПри каждом значении напряжения на графитовой подложке с интервалом10 секунд МЗК проводилось измерение значения поверхностного потенциала воднойточке.Такимобразом,былополученораспределениеуровняповерхностного потенциала во времени и построен его профиль, при различномзначении постоянного напряжения на образце (Рис.3.25).125Рисунок 3.25 – Распределение уровня поверхностного потенциала и егопрофильСреднеквадратическоеотклонение(S)величиныизмеряемогоповерхностного потенциала, при уровне постоянного напряжения на образце 41мВ, составило 12 мВ. Величина S сопоставима с уровнем собственных шумовизмерительной системы.
Разницу между уровнями поверхностного потенциалаудалось зафиксировать на 30 секунде, при подаче на образец напряжения 25 мВ и41мВ. Следовательно, можно утверждать, что чувствительность измерений МЗКсоставляет 16 мВ.Сравнив значения полученной чувствительности измерений МЗК ивеличину S, можно сделать вывод, что чувствительность измерений метода зондаКельвина не может быть лучше уровня собственных шумов измерительнойсистемы. Таким образом, чувствительность измерений МЗК равная 16 мВудовлетворяет необходимым условиям для исследования данного типа ячеекпамяти.3.4 Метод отображения сопротивления растекания3.4.1. Исследование особенностей работы метода отображениясопротивления растеканияПрообразом метода отображение сопротивления растекания стал методизмерения профиля сопротивления растекания.
Измерения проводят двапроводящих зонда расположенных на расстоянии от 15 до 50 мкм надповерхностью образца. Образец скошен под небольшой угол (примерно1265 градусов) для увеличения разрешения по глубине. Зонд останавливается надскошенной поверхностью с шагом от 2.5 до 5 мкм и в каждой точке измеренияпроизводится измерение сопротивления. Прикладываемое напряжение междузондами обычно равно 5 В. Измеренное на каждом шаге сопротивление можноинтерпретировать как локальную концентрацию носителей заряда и как глубинупрофиля легирования. Метод измерения профиля сопротивления растеканияимеетширокийдиапазонатомов/см3) и высокое пространственное разрешение, которое–(динамическийограничено углом скоса поверхности [165].В методе отображения сопротивления растекания проводящий зондсканирует поверхность в контактном режиме с прижатием в несколько мН.Между зондом и образцом прикладывается постоянное напряжение смещения.Сильное прижатие необходимо для снижения контактного сопротивления зонда иослабления уровня шума при измерениях.
Это делает данный метод наиболеепривлекательным для проведения измерений сопротивления растекания.Логарифмическийусилительобеспечиваетширокийдиапазондляизмерения тока.Концентрация носителей заряда соотносится с измеренным сопротивлениемрастекания через формулу:⁄где,– локальное удельное сопротивление образца,(3.31)– радиус закруглениязонда. Это идеальный случай для полубесконечного равномерно легированногообразца с неглубоким круглым омическим контактом.В более реальном случае на измерение сопротивления влияют такиефакторы как форма зонда, структура концентрации поверхности, прикладываемаясила и структура рельефа поверхности и нелинейное отношение междуизмеряемым сопротивлением и настоящим удельным сопротивление образца.
Дляучета нелинейности в предыдущую формулу добавляется вспомогательныйэлемент.127(3.32)Кроме того, измеренное сопротивление в фиксированной точке неоднозначно зависит от локального удельного сопротивления в этой точке. Из-заэтого вводится дополнительный корректирующий фактор.(3.33)Методотображениясопротивлениярастеканияимеетширокийдинамический диапазон (1*1014 – 1*1021 атомов/см3) и низкий уровень шумов принормальных условиях проведения измерений [166]. Из-за большой силыприжатия зонда к образцу необходимо использовать наиболее прочныепроводящие зонды. Материал, имеющий превосходную жесткость – алмаз. Ониспользуется при изготовлении зондов для измерений по методу отображениясопротивления растекания. Как было сказано ранее, метод нашел широкоеприменениявисследованиицелостностицепимеждуметаллическимипереходными контактами и поликремневыми затворами.3.4.2.
Оценка практических возможностей метода отображениясопротивления растекания по измерению электрофизических параметровполупроводниковых структурМетод отображения сопротивления растекания позволяет проводитьизмеренияспространственнымразрешениемнескольконанометровидетектировать проходящий ток в пико амперном диапазоне.Метод отображения сопротивления растекания успешно применяется дляопределения дефектов межуровневых контактов. Распределение тока поповерхности исследуемого образца позволяет определять микро токи утечки,образующиеся вследствие производственных дефектов.На рисунке 3.26(а) представлено распределение тока зонд-образец, дляучастка ИМС, на котором один межуровневый контакт к затвору из поликремниязакорочен с контактом к областипредставлен на СЕМ изображении.диффузии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
