eng
Выпуск #3/2014
Ш.Ву
Сканирующая микроволновая микроскопия: уникальный метод измерений в нанодиапазоне
Сканирующая микроволновая микроскопия: уникальный метод измерений в нанодиапазоне
Просмотры: 4954
Компания Agilent Technologies разработала новый измерительный метод – сканирующую микроволновую микроскопию (СММ), которая уже удостоена ряда престижных наград. СММ объединяет широкие возможности измерений электрических величин микроволновым векторным анализатором цепей (ВАЦ) с наноразмерным пространственным разрешением атомно-силового микроскопа (АСМ). Этот метод может эффективно применяться при проведении разнообразных исследовательских работ.
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, измерение
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, измерение
Помимо возможности комплексного измерения сопротивления (активного и реактивного), СММ – единственный метод атомно-силовой микроскопии, который обеспечивает количественные измерения электрической емкости и концентрации легирующих примесей. Стандартные образцы для точной количественной оценки свойств материалов и устройств разработаны специалистами Agilent в сотрудничестве с американским Национальным институтом стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology – NIST).
Установка СММ
Сканирующий микроволновый микроскоп состоит из АСМ, сопряженного с ВАЦ производства Agilent [1]. СВЧ-сигнал от анализатора цепей проходит через резонансный контур и поступает на проводящий зонд АСМ, который контактирует с исследуемым образцом. Зонд также служит приемником отраженного от точки контакта СВЧ-сигнала. Измеренные анализатором цепей значения комплексного коэффициента отражения S11 и полные сопротивления образца в каждой точке сканирования могут сопоставляться с топограммой поверхности.
Для формирования согласованного резонансного контура, параллельно нагрузке 50 Ом установлен полуволновой трансформатор импеданса. Этот контур не только улучшает опознавание пиков сигнала, но и значительно расширяет динамический диапазон и чувствительность измерения полных сопротивлений. При модуляции наложением низкочастотного сигнала изменение емкости в результате истощения носителей заряда в полупроводниковом образце или характеристика dC/dV также могут быть определены в полуконтактном режиме работы АСМ, контроллер которого включает цифровые синхронные усилители.
Программное обеспечение контролирует все каналы сбора данных, включая информацию о топографии от контроллера АСМ, амплитуду и фазу коэффициента отражения от анализатора цепей, а также компоненты dC/dV от контроллера полуконтактного режима АСМ. В отличие от приборов некоторых других производителей, в АСМ Agilent применяется не 16-битное, а 32-битное кодирование данных. Это обеспечивает лучшие динамический диапазон и разрешение при исключительно высокой точности измерений. Использование соответствующих стандартных образцов дает возможность количественно измерять значения емкости и плотности легирующих примесей [1].
Использование СММ
Измерения по методу СММ выполняются на фиксированной частоте. Эта частота задается пользователем в диапазоне 2–20 ГГц при максимальном отношении сигнал/шум и лучшей чувствительности измерений. Возможности СММ расширяет модуль измерения профиля распределения легирующей примеси (МИПЛП), который служит для определения калиброванного абсолютного значения концентрации легирующих примесей, что важно для физических исследований в области перспективных устройств.
Для измерения профиля распределения легирующей примеси СВЧ-сигнал от ВАЦ делится в МИПЛП на две составляющие: первая усиливается и используется в качестве локального генератора (ЛГ) сигнала для смесителя dC/dV; вторая усиливается и передается по главному каналу на острие зонда АСМ, куда также поступает низкочастотный (радиочастотный – РЧ) сигнал от внешнего источника, например, генератора функций.
В связи с изменением емкости образца при воздействии РЧ-сигнала СВЧ-сигнал отражается и модулируется с частотой РЧ. Отраженный модулированный СВЧ-сигнал также делится на две составляющие. Первая усиливается и направляется на внутренний смеситель МИПЛП, где смешивается с сигналом ЛГ и демодулируется. Этот демодулированный сигнал затем преобразуется синхронным усилителем в сигнал амплитуды и фазы dC/dV, который содержит информацию о легирующих примесях и их концентрации в исследуемом образце. Вторая составляющая отраженного СВЧ-сигнала, усиленная и направленная приемному устройству ВАЦ, используется для оценки емкости образца. Таким образом, СММ позволяет одновременно измерять емкость и параметр dC/dV.
СММ-отображение легированной структуры полупроводниковых устройств
В полупроводниковых приборах носители заряда в легированной области вблизи контактного электрода могут накапливаться или истощаться, в зависимости от смещения по постоянному току [2, 3]. При приложении переменного напряжения VAC, близкого фиксированному рабочему потенциалу VDC, в ответ на модуляцию VAC наблюдается изменение емкости dC [4]. Значение VDC обычно выбирают в точке, где кривая C-V имеет наибольший наклон, что близко напряжению, соответствующему плоским энергетическим зонам, – тогда обеспечивается максимальная чувствительность. При этих условиях высокое значение dC/dV соответствует низкой концентрации носителей, а низкое dC/dV – высокой концентрации носителей. Очевидно, что для кремния как p-типа, так и n-типа при одинаковой концентрации носителей заряда значения dC/dV одинаковы по величине, но различны по знаку (позитивные для p-типа и негативные для n-типа). Таким образом, индекс модуляции отраженного СВЧ-сигнала (то есть величина и фаза модулированного сигнала, измеренного по методу СММ) может быть использован для характеристики структуры и типа легирующих примесей в полупроводниковых элементах.
Как отмечалось ранее, метод СММ позволяет одновременно оценивать и электрическую емкость, и параметр dC/dV. На рис.1 представлены результаты измерения емкости (амплитуда ВАЦ) и dC/dV
интегральной схемы (ИС) [4]. Рис.1a показывает очевидные различия тонких легированных слоев в активных областях элемента. Резкий контраст в изображении фаз dC/dV на рис.1b подтверждает наличие в структуре полупроводника сильно легированных слоев. Профиль, представленный на рис.1с, соответствует вертикальной зеленой линии на рис.1b. Согласно результатам измерений, различные зоны ИС имеют фазовый сдвиг 180°, что подтверждает доминирование в них разных по знаку носителей заряда и соответствует расположению под активными компонентами слоев p-типа (ПС) и n-типа (НС). Наложение схемы на изображение, полученное с помощью ВАЦ (рис.1d), показывает области ПС и НС, которые незначительно отличаются по емкости.
СММ-отображение сильнолегированных маркерных слоев GaN на сапфире
СММ может использоваться для контроля качества пленок GaN (нитрид галлия, полупроводник группы III-V с широкой запрещенной зоной) и происхождения непреднамеренно легированных областей в составе пленок, выращенных на сапфире.
На рис.2 представлены полученные с помощью СММ топограмма, карты емкостей и плотностей легирующих примесей в поперечном сечении пленки, а также профиль плотностей легирующих примесей в сечении, выполненном по зеленой линии [5]. Сапфировая подложка расположена в левой части изображений, поверхность пластины – справа, но за пределами показанной области сканирования.
Топограмма демонстрирует переход от подложки к слоям GaN, несколько "ступенек" в толще GaN и неопределенные примеси в правой части изображения. На карте емкостей видны контрастные области на границе подложка-пленка и регулярная структура из светлых и темных полос ближе к поверхности пластины.
На карте плотностей легирующих примесей области, не содержащие легирующих примесей и содержащие их в очень высоких концентрациях, отображены темными, так как от них поступает слабый отраженный сигнал. Темные области включают сапфировую подложку, сильнолегированные слои и нелегированные слои GaN. Яркие области, характеризующиеся низкой плотностью носителей заряда (ниже, чем у сильнолегированных слоев и выше, чем у нелегированных слоев и подложки), формируют ближе к поверхности пластины регулярную структуру из параллельных полос. Если между нелегированными слоями выращен сильнолегированный слой, все три выглядят темными, так как характеризуются низким сигналом dC/dV. В результате диффузии носителей заряда из легированных в нелегированные слои на границах между ними плотность носителей низка, что обуславливает высокое значение сигнала dC/dV. Поэтому наличие на изображении регулярной структуры из прямых ярких линий свидетельствует, что рост слоев был равномерным.
Между подложкой и гладкими слоями расположена область, которая была непреднамеренно легирована в процессе роста. В этой области можно отметить три извилистых темных сильнолегированных маркерных слоя, которые отмечают положение поверхности роста в период внесения легирующих примесей. Форма слоев области непреднамеренного легирования свидетельствует о высокой шероховатости поверхности во время их выращивания [6]. Полученные с помощью СММ карты плотностей легирующих примесей (не показаны на рисунках) подтверждают предположение, что наклонные поверхности имеют решающее значение для роста области непреднамеренно легированного материала [5].
Дополнительные возможности СММ
СММ может использоваться для проведения измерений на металлах, полупроводниках, диэлектриках, сегнетоэлектриках, изоляторах, а также биологических материалах для оценки свойств, связанных с небольшими изменениями электромагнитных взаимодействий различных компонентов образца под действием СВЧ-сигнала как в статическом, так и динамическом режимах. Разрешение метода ограничено геометрическими размерами острия зонда.
В частности, СММ может применяться для изучения диэлектрических свойств органических тонких пленок, в том числе самоорганизующихся монослоев органических молекул. При качественной калибровке СММ позволяет обнаруживать различия емкости, измеряемые в аттофарадах [7]. Зная толщину пленки и значения относительных диэлектрических постоянных, можно на основе разработанных моделей определить эффективную область контакта кончика зонда и образца, и в дальнейшем использовать этот параметр для оценки диэлектрических постоянных и толщин других пленок. Еще одно важное направление использования СММ – изучение новых материалов, в частности, графена.
Таким образом, сочетание универсальности и точности измерений делает СММ исключительно перспективным методом в самых разных областях исследований.
Литература
1.Han W. Introduction to Scanning Microwave Microscopy Mode. – Application Note 5989-8881EN. 2009, Agilent Technologies, Inc.
2.Kopanski J.J. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. – In: S. Kalinin and A. Gruverman, Eds., Springer New York; vol.1, 2007.
3.N. Duhayon. Katholieke Universiteit. – 2006.
4.Wu S. et al. SMM Imaging of Dopant Structures of Semiconductor Devices. – Application Note 5991-0562EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
5.Fenner M. et al. Investigating Highly Doped Marker Layers in GaN on Sapphire Using Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-9693EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
6.Oliver R.A. Application of Highly Silicon-Doped Marker Layers in the Investigation of Unintentional Doping in GaN on Sapphire. – Ultramicroscopy 111, 2010.
7.Wu S., Yu J.J. Attofarad Capacitance Measurement with Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-5702EN, 2010, Agilent Technologies, Inc.
Установка СММ
Сканирующий микроволновый микроскоп состоит из АСМ, сопряженного с ВАЦ производства Agilent [1]. СВЧ-сигнал от анализатора цепей проходит через резонансный контур и поступает на проводящий зонд АСМ, который контактирует с исследуемым образцом. Зонд также служит приемником отраженного от точки контакта СВЧ-сигнала. Измеренные анализатором цепей значения комплексного коэффициента отражения S11 и полные сопротивления образца в каждой точке сканирования могут сопоставляться с топограммой поверхности.
Для формирования согласованного резонансного контура, параллельно нагрузке 50 Ом установлен полуволновой трансформатор импеданса. Этот контур не только улучшает опознавание пиков сигнала, но и значительно расширяет динамический диапазон и чувствительность измерения полных сопротивлений. При модуляции наложением низкочастотного сигнала изменение емкости в результате истощения носителей заряда в полупроводниковом образце или характеристика dC/dV также могут быть определены в полуконтактном режиме работы АСМ, контроллер которого включает цифровые синхронные усилители.
Программное обеспечение контролирует все каналы сбора данных, включая информацию о топографии от контроллера АСМ, амплитуду и фазу коэффициента отражения от анализатора цепей, а также компоненты dC/dV от контроллера полуконтактного режима АСМ. В отличие от приборов некоторых других производителей, в АСМ Agilent применяется не 16-битное, а 32-битное кодирование данных. Это обеспечивает лучшие динамический диапазон и разрешение при исключительно высокой точности измерений. Использование соответствующих стандартных образцов дает возможность количественно измерять значения емкости и плотности легирующих примесей [1].
Использование СММ
Измерения по методу СММ выполняются на фиксированной частоте. Эта частота задается пользователем в диапазоне 2–20 ГГц при максимальном отношении сигнал/шум и лучшей чувствительности измерений. Возможности СММ расширяет модуль измерения профиля распределения легирующей примеси (МИПЛП), который служит для определения калиброванного абсолютного значения концентрации легирующих примесей, что важно для физических исследований в области перспективных устройств.
Для измерения профиля распределения легирующей примеси СВЧ-сигнал от ВАЦ делится в МИПЛП на две составляющие: первая усиливается и используется в качестве локального генератора (ЛГ) сигнала для смесителя dC/dV; вторая усиливается и передается по главному каналу на острие зонда АСМ, куда также поступает низкочастотный (радиочастотный – РЧ) сигнал от внешнего источника, например, генератора функций.
В связи с изменением емкости образца при воздействии РЧ-сигнала СВЧ-сигнал отражается и модулируется с частотой РЧ. Отраженный модулированный СВЧ-сигнал также делится на две составляющие. Первая усиливается и направляется на внутренний смеситель МИПЛП, где смешивается с сигналом ЛГ и демодулируется. Этот демодулированный сигнал затем преобразуется синхронным усилителем в сигнал амплитуды и фазы dC/dV, который содержит информацию о легирующих примесях и их концентрации в исследуемом образце. Вторая составляющая отраженного СВЧ-сигнала, усиленная и направленная приемному устройству ВАЦ, используется для оценки емкости образца. Таким образом, СММ позволяет одновременно измерять емкость и параметр dC/dV.
СММ-отображение легированной структуры полупроводниковых устройств
В полупроводниковых приборах носители заряда в легированной области вблизи контактного электрода могут накапливаться или истощаться, в зависимости от смещения по постоянному току [2, 3]. При приложении переменного напряжения VAC, близкого фиксированному рабочему потенциалу VDC, в ответ на модуляцию VAC наблюдается изменение емкости dC [4]. Значение VDC обычно выбирают в точке, где кривая C-V имеет наибольший наклон, что близко напряжению, соответствующему плоским энергетическим зонам, – тогда обеспечивается максимальная чувствительность. При этих условиях высокое значение dC/dV соответствует низкой концентрации носителей, а низкое dC/dV – высокой концентрации носителей. Очевидно, что для кремния как p-типа, так и n-типа при одинаковой концентрации носителей заряда значения dC/dV одинаковы по величине, но различны по знаку (позитивные для p-типа и негативные для n-типа). Таким образом, индекс модуляции отраженного СВЧ-сигнала (то есть величина и фаза модулированного сигнала, измеренного по методу СММ) может быть использован для характеристики структуры и типа легирующих примесей в полупроводниковых элементах.
Как отмечалось ранее, метод СММ позволяет одновременно оценивать и электрическую емкость, и параметр dC/dV. На рис.1 представлены результаты измерения емкости (амплитуда ВАЦ) и dC/dV
интегральной схемы (ИС) [4]. Рис.1a показывает очевидные различия тонких легированных слоев в активных областях элемента. Резкий контраст в изображении фаз dC/dV на рис.1b подтверждает наличие в структуре полупроводника сильно легированных слоев. Профиль, представленный на рис.1с, соответствует вертикальной зеленой линии на рис.1b. Согласно результатам измерений, различные зоны ИС имеют фазовый сдвиг 180°, что подтверждает доминирование в них разных по знаку носителей заряда и соответствует расположению под активными компонентами слоев p-типа (ПС) и n-типа (НС). Наложение схемы на изображение, полученное с помощью ВАЦ (рис.1d), показывает области ПС и НС, которые незначительно отличаются по емкости.
СММ-отображение сильнолегированных маркерных слоев GaN на сапфире
СММ может использоваться для контроля качества пленок GaN (нитрид галлия, полупроводник группы III-V с широкой запрещенной зоной) и происхождения непреднамеренно легированных областей в составе пленок, выращенных на сапфире.
На рис.2 представлены полученные с помощью СММ топограмма, карты емкостей и плотностей легирующих примесей в поперечном сечении пленки, а также профиль плотностей легирующих примесей в сечении, выполненном по зеленой линии [5]. Сапфировая подложка расположена в левой части изображений, поверхность пластины – справа, но за пределами показанной области сканирования.
Топограмма демонстрирует переход от подложки к слоям GaN, несколько "ступенек" в толще GaN и неопределенные примеси в правой части изображения. На карте емкостей видны контрастные области на границе подложка-пленка и регулярная структура из светлых и темных полос ближе к поверхности пластины.
На карте плотностей легирующих примесей области, не содержащие легирующих примесей и содержащие их в очень высоких концентрациях, отображены темными, так как от них поступает слабый отраженный сигнал. Темные области включают сапфировую подложку, сильнолегированные слои и нелегированные слои GaN. Яркие области, характеризующиеся низкой плотностью носителей заряда (ниже, чем у сильнолегированных слоев и выше, чем у нелегированных слоев и подложки), формируют ближе к поверхности пластины регулярную структуру из параллельных полос. Если между нелегированными слоями выращен сильнолегированный слой, все три выглядят темными, так как характеризуются низким сигналом dC/dV. В результате диффузии носителей заряда из легированных в нелегированные слои на границах между ними плотность носителей низка, что обуславливает высокое значение сигнала dC/dV. Поэтому наличие на изображении регулярной структуры из прямых ярких линий свидетельствует, что рост слоев был равномерным.
Между подложкой и гладкими слоями расположена область, которая была непреднамеренно легирована в процессе роста. В этой области можно отметить три извилистых темных сильнолегированных маркерных слоя, которые отмечают положение поверхности роста в период внесения легирующих примесей. Форма слоев области непреднамеренного легирования свидетельствует о высокой шероховатости поверхности во время их выращивания [6]. Полученные с помощью СММ карты плотностей легирующих примесей (не показаны на рисунках) подтверждают предположение, что наклонные поверхности имеют решающее значение для роста области непреднамеренно легированного материала [5].
Дополнительные возможности СММ
СММ может использоваться для проведения измерений на металлах, полупроводниках, диэлектриках, сегнетоэлектриках, изоляторах, а также биологических материалах для оценки свойств, связанных с небольшими изменениями электромагнитных взаимодействий различных компонентов образца под действием СВЧ-сигнала как в статическом, так и динамическом режимах. Разрешение метода ограничено геометрическими размерами острия зонда.
В частности, СММ может применяться для изучения диэлектрических свойств органических тонких пленок, в том числе самоорганизующихся монослоев органических молекул. При качественной калибровке СММ позволяет обнаруживать различия емкости, измеряемые в аттофарадах [7]. Зная толщину пленки и значения относительных диэлектрических постоянных, можно на основе разработанных моделей определить эффективную область контакта кончика зонда и образца, и в дальнейшем использовать этот параметр для оценки диэлектрических постоянных и толщин других пленок. Еще одно важное направление использования СММ – изучение новых материалов, в частности, графена.
Таким образом, сочетание универсальности и точности измерений делает СММ исключительно перспективным методом в самых разных областях исследований.
Литература
1.Han W. Introduction to Scanning Microwave Microscopy Mode. – Application Note 5989-8881EN. 2009, Agilent Technologies, Inc.
2.Kopanski J.J. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. – In: S. Kalinin and A. Gruverman, Eds., Springer New York; vol.1, 2007.
3.N. Duhayon. Katholieke Universiteit. – 2006.
4.Wu S. et al. SMM Imaging of Dopant Structures of Semiconductor Devices. – Application Note 5991-0562EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
5.Fenner M. et al. Investigating Highly Doped Marker Layers in GaN on Sapphire Using Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-9693EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
6.Oliver R.A. Application of Highly Silicon-Doped Marker Layers in the Investigation of Unintentional Doping in GaN on Sapphire. – Ultramicroscopy 111, 2010.
7.Wu S., Yu J.J. Attofarad Capacitance Measurement with Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-5702EN, 2010, Agilent Technologies, Inc.
Отзывы читателей
