Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных зондовых методов диагностики электрическогопотенциала поверхности гетерогенных объектов 9
1.1 Электронно-зондовая микроскопия 9
1.2 Атомно-силовая микроскопия 23
1.2.1 Контактная атомно-силовая микроскопия 26
1.2.2 Колебательные методики атомно-силовой микроскопии 28
1.2.3 «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии 29
1.2.4 Микроскопия электростатических сил 31
Глава 2. Методики измерения электрического потенциала на поверхности гетерогенных объектов 38
2.1 Измерение электрического потенциала в электронно-зондовом тестере 38
2.1.1 Устройство энергоанализатора 41
2.1.2 Проведение стробоскопических измерений электрического потенциала в электронно-зондовом тестере 45
2.2 Аппаратура для контроля электрического потенциала поверхности гетерогенных объектов на основе электронно-зондового тестера 49
2.3 Измерение электрического потенциала методом атомно-силовой микроскопии 52
2.4 Аппаратура для контроля электрического потенциала поверхности гетерогенных объектов на основе атомно-силового микроскопа 62
2.5 Формирование тестовых структур и подготовка гетерогенных объектов для проведения измерений методами электронно-зондовой и атомно-силовой микроскопии 67
2.5.1 Описание тестовых структур 67
2.5.2 Подготовка гетерогенных объектов для анализа с помощью электронно-зондовой и атомно-силовой микроскопии 73
2.5.2.1 Технологические методы удаления корпусов микросхем, защитно-изолирующих и металлических покрытий 74
Глава 3. Исследование зондовыми методами гетерогенных объектов 80
3.1 Измерение электрофизических параметров различных материалов и структур методами атомно-силовой микроскопии 80
3.1.1 Измерение работы выхода различных материалов 83
3.1.2. Измерение типа проводимости 85
3.1.3 Расчет концентрации электрически активных примесей 89
3.2 Измерение электрического потенциала на поверхностях и сколах многослойных структур 96
Глава 4. Измерение логического состояния микросхем памяти 103
4.1 Виды микросхем памяти 103
4.2 Оценка чувствительности и локальности методов электростатической силовой микроскопии и зонда Кельвина 112
4.3 Методика определения логического состояния ячеек памяти EPROM и EEPROM 119
Выводы по работе 131
Список литературы 132
- «Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии
- Проведение стробоскопических измерений электрического потенциала в электронно-зондовом тестере
- Измерение электрофизических параметров различных материалов и структур методами атомно-силовой микроскопии
- Оценка чувствительности и локальности методов электростатической силовой микроскопии и зонда Кельвина
Введение к работе
Совершенствование методов аналитической диагностики поверхности является актуальной задачей таких направлений как физика поверхностных явлений и электроника. Развитие данных методов приводит к решению фундаментальных и прикладных задач в микро- и наноэлектронике, связанных с характеризацией объектов по топологическим, морфологическим и электрофизическим параметрам.
Наиболее информативными методами решения этих задач являются растровая электронная микроскопия (РЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), электронная Оже- спектроскопия, сканирующая туннельная микроскопия, вторично-ионная масс-спектроскопия, спектроскопия и микроскопия на основе остросфокусированных ионных пучков. В основе данных методов лежит принцип зондового сканирования поверхности объектов и регистрации частиц, излучений, силовых и электростатических взаимодействий между зондом и исследуемой поверхностью. Отличие данных методов заключается в природе физических явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии зонда с твердым телом.
Применительно к решению задач, связанных с измерением электрического потенциала и электрофизических параметров микроэлектронных структур с высокой степенью интеграции, требующих высокой латеральной локальности, возможно использование метода РЭМ, а в последнее время и метода АСМ в различных режимах работы.
Существующие на сегодняшний день стандартные методики РЭМ и АСМ не позволяют напрямую количественно оценить многие параметры наблюдаемых объектов без проведения дополнительной, весьма сложной,
подготовки исследуемых объектов, создания тестовых структур и получения на них калибровочных зависимостей, интерпретации полученных результатов.
Особенности эксплуатации цифровых схем памяти в экстремальных условиях (ионизирующее излучение, высокие температуры, химически агрессивные среды, механические нагрузки) могут приводить к нарушению связей между отдельными функциональными областями интегральных микросхем (ИМС), что исключает возможность электрического тестирования данных устройств. При этом записанная информация в изделии может сохраняться. В связи с этим, весьма актуальной задачей является выявление возможностей современных средств неразрушающей диагностики кристаллов микросхем и разработка методики восстановления утерянной информации.
Другим важным аспектом исследования полупроводниковых приборов и устройств является наблюдение и осуществление локального контроля концентрации электрически активных примесей в широком диапазоне значений.
Настоящая работа направлена на исследование возможностей применения атомно-зондовых бесконтактных неразрушающих методик для восстановления утерянной информации микросхем памяти, определение концентрации электрически активных примесей в микро областях полупроводниковых приборов на основе созданной базы тестовых структур и разработку методических и аппаратных средств их реализации.
Целью работы являлось исследование возможностей методов атомно-силовой микроскопии для высоко локальных измерений топологических, электрических и электрофизических параметров объектов микроэлектроники.
В соответствии с указанной целью в работе решались следующие задачи:
установление корреляции между выходным сигналом в микроскопии электростатических сил (ЭСМ) и значениями потенциала в методе зонда Кельвина (МЗК) в зависимости от величины напряжения,
подаваемого на образец, содержащего эквипотенциальную поверхность, для кантилеверов с различным составом покрытия;
определение методом АСМ работы выхода металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов, используемых для создания приборов микроэлектроники и микросистемной техники, полученных различными технологическими методами и проведение их сопоставительного анализа;
разработка методики определения концентрации электрически активных примесей в полупроводниковых материалах, структурах и приборах на основе емкостных измерений в АСМ. Апробация метода на тестовых объектах и изделиях электронной техники;
изготовление тестовых структур, включающих металлические и диэлектрические поверхности, для оценки чувствительности и локальности микроскопии электростатических сил и метода зонда Кельвина и оптимизации режима работы АСМ при реализации моды электростатических сил;
сравнение аналитических возможностей методов электронно-зондовой и атомно-силовой микроскопии по пространственному разрешению и чувствительности при измерении электрического потенциала на диэлектрических поверхностях многослойных структур;
разработка методики и проведение исследований логических состояний ячеек памяти различных классов интегральных микросхем без удаления пассивирующих покрытий с сохранением работоспособности изделий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые разработана методика и проведены исследования логических состояний ячеек памяти двух классов интегральных микросхем без удаления пассивирующих покрытий с сохранением работоспособности изделий. Новизна научно-технических решений защищена патентом РФ.
Предложена модель расчета концентрации легирующих примесей в полупроводниковых структурах, основанная на результатах высоко локальных измерений в методе сканирующей емкостной микроскопии (СЕМ). На серии тестовых структур с известными уровнями легирования доказана адекватность предложенной модели.
Экспериментально обоснованы преимущества метода атомно-силовой микроскопии по сравнению с электронно-зондовой микроскопией при измерении статического электрического потенциала на функциональных областях дискретных полупроводниковых приборах и интегральных микросхем, включающих слои металлов, полупроводников и диэлектриков с пространственным разрешением в нано- и микро- диапазонах.
Экспериментально установлено, что на зависимостях уровня выходного сигнала, регистрируемого АСМ при работе в электростатической моде, от расстояния в системе «зонд-образец» имеются максимумы, появление которых связано с ограничением амплитуды прогиба балки кантилевера, а их положение определяется разностью потенциалов между зондом и поверхностью исследуемого образца.
Экспериментально показано влияние толщины диэлектрического покрытия и расстояния в зазоре «зонд-образец» на значения чувствительности и локальности в микроскопии электростатических сил (ЭСМ) на поверхности гетерогенных объектов.
Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. На основе метода сканирующей емкостной микроскопии разработана методика определения уровней концентрации легирующих примесей. С помощью этой методики установлены значения концентраций электрически активных примесей в полупроводниковых структурах в диапазоне (1015-1019) см"3 и локальностью (10-30) нм.
2. Методом зонда Кельвина установлена возможность определения
логических состояний ячеек памяти EPROM и EEPROM интегральных
микросхем без удаления пассивирующих покрытий с сохранением
работоспособности изделий с чувствительностью -100 мВ и локальностью (10-
30) нм.
Для обеспечения возможности проведения количественных измерений поверхностного электрического потенциала на различных материалах и структурах электронной техники установлены корреляционные зависимости между выходными сигналами в методах электростатической микроскопии и зонда Кельвина.
Результаты работы использованы при выполнении:
научно-исследовательской работы («ЭЛ/ЦМИД-70»), выполненной по программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма 208.06 «Микро и наносистемная техника») в 2004-2005гг;
научно-исследовательской работы («Минога-А»), выполняемой в рамках государственного контракта № 25/14-6499/ЦМИД-118 (2005-2007гг).
5. Результаты работы использованы в ЗАО «Опто-Технологическая
Лаборатория» и ФГУП «18 ЦНЕИ» МО РФ, что подтверждается
соответствующими актами.
6. По результатам исследований получен патент на полезную модель №
48107 Российской Федерации МІЖ Н OIL 21/66 А от 10.09.2005 г.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Установлено соответствие между уровнем выходного сигнала и концентрацией электрически активных примесей в рамках модели плоского конденсатора при наблюдении полупроводниковых объектов методом сканирующей емкостной микроскопии.
2. Экспериментально установлено, что при исследовании ячеек памяти полупроводниковых интегральных микросхем определение их логических состояний, характеризуемых наличием электрического заряда, может осуществляться с помощью АСМ в Кельвин-моде без удаления с поверхности диэлектрических слоев и нарушения хранимой информации в логической ячейке.
«Полуконтактный» метод атомно-силовой микроскопии
В контактных квазистатических методиках взаимодействие зонда и образца осуществляется в области действия сил отталкивания. В этом случае кантилевер выгнут по направлению от образца. При работе АСМ в таких режимах используют кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, например, тонкопленочные V-образные SisN4 кантилеверы с упругой константой =0,03- 0,6 Н/м.
Измерение силы, действующей между поверхностью и остриём, осуществляется по отклонению кантилевера от положения равновесия. Атомно-силовой сенсор представляет собой механический зонд, чувствительность которого настолько высока, что позволяет регистрировать силы взаимодействия между отдельным атомами. Соотношение между силой, воздействующей на зонд, F и отклонением кантилевера х определяется законом Гука: При использовании кантилевера с упругой константой к порядка 1 Н/м под действием силы взаимодействия между двумя атомами порядка ОД нН величина отклонения таких кантилеверов составляет порядка 0,1 нм.
При изменении силы, действующей между поверхностью и зондом, кантилевер, на котором он закреплен, отклоняется от положения равновесия, и такое отклонение регистрируется датчиком положения кантилевера (рис. 7), состоящего из полупроводникового лазера 5, зеркала 6 и четырехсекционного (квадрантного) фотодиода 7. При отклонении кантилевера отраженный от него луч лазера смещается относительно центра квадрантного фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. Компаратор 8 сравнивает текущий сигнал в цепи сенсора с изначально заданным Vs (характеризует уровень силы, на котором зонд удерживается от поверхности образца) и, при его отклонении, вырабатывает корректирующий сигнал Vfb. При работе в режиме постоянной силы взаимодействие зонда с образцом поддерживается постоянным за счет приближения и отвода зонда от поверхности системой обратной связи 9. Обратная связь отрабатывает изменение положения зонда, управляя пьезоприводом [22, 23, 24, 25] таким образом, чтобы сила между зондом и образцом была постоянной. Сигнал о высоте z в каждой точке изображения (х, у) берется из канала Z-пьезопривода. В режиме переменной силы (постоянного отклонения) сканирование происходит при постоянной высоте укрепленного на сканере конца кантилевера над поверхностью образца. Для изображения топографии поверхности используется сигнал непосредственно с АСМ сенсора. Типичная скорость движения зонда не превышает 1 м/с. Однако, в работе [26] приведена АСМ методика, позволяющая регистрировать топографический контраст с временным разрешением -20 мкс и пространственным разрешением 10 нм.
Кроме топографии поверхности, в этом режиме можно исследовать трибологические свойства поверхности образца в нанометровом масштабе размеров [27, 28, 29, 30, 31], используя метод измерения силы трения (латеральной силы), действующей на зонд в процессе сканирования и карту распределения твердости поверхности, применяя модуляционную методику (метод модуляции сил [32]).
Колебательные методики АСМ основаны на взаимодействии колеблющегося кантилевера с поверхностью в области действия сил притяжения. В этом случае кантилевер выгнут по направлению к образцу. Обычно в колебательных методиках используют жесткие 1-образные кремниевые кантилеверы с упругой постоянной =10-=-100 Н/м.
В бесконтактном режиме на z-пьезокерамику прикладывается переменное напряжение, которое вызывает изменение ее геометрических размеров. Частоту переменного напряжения выбирают равной собственной частоте колебаний кантилевера (обычно составляет 100 - 300 кГц, амплитуда колебаний нескольких десятков ангстрем). Вследствие этого, кантилевер колеблется над образцом с резонансной частотой со: где m - масса системы зонд-кантилевер.
В данной методике нет физического контакта с образцом, что позволяет существенно уменьшить механическое воздействие зонда на поверхность в процессе сканирования. Силы взаимодействия между зондом и образцом очень малы, и обычно составляют 10-12 нН. Этот режим идеален для сканирования с высоким разрешением мягких и "липких" образцов (полимеров, биологических клеток [33, 34]) или слишком твердых образцов, т.к. контакт с твердой поверхностью может привести к затуплению зонда, что скажется на латеральном разрешении.
Проведение стробоскопических измерений электрического потенциала в электронно-зондовом тестере
Схема энергоанализатора с тормозящим полем приведена на рис. 12. Она включает: сетки энергоанализатора и систему регистрации вторичных электронов. Конструкция представляет собой колбу (со сферической сеткой сверху и плоской сеткой снизу) с отверстием по центру. На колбу подается потенциал порядка +1.5 кВ, обеспечивающий вытягивание всех эмитированных с поверхности образца вторичных электронов, что таким образом приводит к компенсации тангенциальной составляющей. Между образцом и вытягивающим электродом расположен экстрагирующий электрод, выполненный в виде диафрагмы и позволяющий уменьшить влияние эффекта зарядки диэлектрика на траектории движения вторичных электронов. Над вытягивающим электродом располагается сферическая анализирующая (тормозящая) сетка, пропускающая электроны только с энергиями выше заданного значения.
Выше анализирующей сетки, приблизительно на 15 мм, расположена плоская антидинатронная сетка, на которую подается отрицательное напряжение, заставляющее вторичные электроны повернуться в сторону детектора и препятствующее попаданию третичных электронов в систему регистрации. По бокам антидинатронной сетки располагаются поворачивающие сетки, на которые подано положительное напряжение. Пройдя поворачивающие сетки, электроны собираются сферическим коллектором и попадают в систему регистрации.
В качестве электронного спектрометра используется иммерсионная объективная линза с низкой абберацией. Под воздействием электростатического поля происходит экстракция вторичных электронов с поверхности образца. Они фокусируются объективной линзой в точке кроссовера, которая совпадает с центром полусферической сетки спектрометра. Кроме того, с иммерсионной объективной линзой совмещены отклоняющие катушки и стигматоры. Прохождение вторичных электронов через анализатор показано на рис.13.
Вторичные электроны, которые экстрагируются объективной линзой, фокусируются в центре двух сферических электродных сеток. После сбора в кроссовер в центре полусферической тормозящей сетки все вторичные электроны попадают в спектрометр под прямым углом, независимо от угла эмиссии. Это не только увеличивает точность измерений, но и позволяет минимизировать влияние эффектов локальных полей в образце.
В обычном режиме работы получение временных характеристик электрического потенциала возможно при частотах переключений, не превышающих 10 МГц, в силу инерционности системы регистрации (сцинтиллятор-предусилитель) и малого отношения сигнал/шум. При времени переключения 10" си первичном токе 1 нА поверхности образца достигает приблизительно 100 электронов. Количество вторичных электронов примерно вдвое меньше, а количество регистрируемых электронов - еще меньше (на 30%). В результате будет зарегистрирован сигнал от 30-40 электронов.
Для высокочастотных измерений применяется стробоскопический режим, позволяющий производить измерения в наносекундном и пикосекундном диапазонах за счет повторения измерений с усреднением получаемых значений.
Принцип стробоскопических измерений основан на прерывании электронного пучка в заданные моменты времени. Это достигается за счет стробирующих пластин, расположенных в плоскости, параллельной оси электронного зонда. В обычном режиме между пластинами отсутствует разность потенциалов. В режиме стробоскопа напряжения на пластинах отличаются, электронный зонд отклоняется от оси и не проходит через отверстие диафрагмы. При подаче на одну пластину короткого импульса электронный зонд (в этот момент) возвращается к центральному положению, проходит через диафрагму и попадает на образец (рис. 14).
Методика проведения локальных измерений электрического потенциала в статическом и динамическом режиме идентичны. Для получения временных характеристик переходных процессов в стробоскопическом режиме необходимо иметь предварительную информацию о характере и приблизительных параметрах переходных процессов на образце, исходя из которой выбирается время освещения Тосв. и интервал между началом соседних импульсов dT. Время накопления сигнала определяется требуемым соотношением сигнала к шуму. Например, при токе первичного пучка 1 нА соотношение сигнал к шуму 60 дб будет получено при времени накопления 100 мкс. Частота повторения строб-импульсов ограничена величиной 10 МГц. Реальный интервал между импульсами Тповт представляет собой совокупность времени задержки, длительности импульса и минимального интервала между импульсами (100 не).
Измерение электрофизических параметров различных материалов и структур методами атомно-силовой микроскопии
Это приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) или фазо-частотной характеристики (ФЧХ) колебаний кантилевера по сравнению с измеренными вдали от поверхности (рис. 26).
При детектировании амплитуды частота вынужденных колебаний кантилевера поддерживается постоянной и равной со в свободном состоянии; при приближении зонда к поверхности амплитуда колебаний свободного конца кантилевера уменьшается. Эта амплитуда колебаний регистрируется с помощью оптической системы и может быть определена по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора. Далее с помощью синхронного детектора выделяется постоянный сигнал, согласованный с синхросигналом от генератора напряжений. Компаратор сравнивает текущий сигнал в цепи сенсора с изначально заданным Vs (характеризует уровень силы, на котором зонд удерживается от поверхности образца) и, при его отклонении, вырабатывает корректирующий сигнал. При работе в режиме постоянной силы взаимодействие зонда с образцом поддерживается постоянным за счет приближения и отвода зонда от поверхности системой обратной связи. Обратная связь отрабатывает изменение положения зонда, управляя пьезоприводом таким образом, чтобы сила между зондом и образцом была постоянной. Затем зонд отводится от поверхности на расстояние Zo, между зондом и образцом подается переменное напряжение на частоте соо, и осуществляется повторное сканирование. На 2-ом проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца.
Поскольку в процессе сканирования расстояние между зондом и образцом поддерживается постоянным, то регистрация сигнала Н(а) будет свидетельствовать о изменении электрической силы F_(co), которая чувствительна к локальному изменению емкости поверхности, что затрудняет получение информации о распределении потенциала и заряда по поверхности. Регистрация сигнала Н(2Ф) позволяет проводить локальные измерения емкости (диэлектрической проницаемости) гетерогенных объектов.
При работе АСМ в методе зонда Кельвина при сканировании на 2-ом проходе возможно регистрировать количественное изменение поверхностного потенциала (р(х,у) путем определения в каждой точке значений Uo, при которых сигнал #(), пропорциональный силе электростатического взаимодействия Fs(w), обращается в нуль (рис. 27).
В качестве образцов для исследования различных параметров, свойств и количественных характеристик объектов методом зонда Кельвина и электростатической силовой микроскопией были предложены следующие тестовые структуры. 1. Для оценки влияния состояния поверхности образца и окружающих условий на измерения работы выхода на воздухе с помощью МЗК были предложены тестовые структуры в виде различных материалов Pt, Ті, Ni, Al, S1O2, A1N, нанесенных на кремниевую пластину (КЭФ 7,5). Толщины осажденных слоев составили для Pt - 0,25 мкм, для ТІ, N1, А1 -0,3 мкм, для S1O2, A1N - 0,5 мкм. По результатам измерения поверхностного электрического потенциала на платине можно судить о чувствительности данного метода, а также получить количественные соотношения между токовым выходным сигналом в ЭСМ и значениями потенциала в МЗК от напряжения, подаваемого на образец, для кантилеверов с Pt и W2C покрытиями. Осаждение Pt на кремниевую подложку осуществлялось ионно-плазменным распылением на установке УРМ 3279013 до толщины 0,25 мкм в течение 1 часа 23 минут в заданном режиме (L=1A; Тподл=300оС; напряжение мишени UM=1.0 кВ; давление аргона в камере 0.5-0.6 Па; скорость осаждения Vocaayr -O нм/мин). Далее образец подвергался термообработке на воздухе при Т=650С в течение 1ч. 30 мин. Полученные пленки характеризовались мелкодисперсной структурой с размером кристаллитов 5 нм. Напыление пленок титана, никеля и алюминия на кремниевые подложки осуществлялось методом магнетронного распыления на установках «КОНТ» и «Оратория - 5» соответственно. Установка «КОНТ» предназначена для последовательного напыления слоев металлизации титана и никеля. Пленка титана была напылена на кремниевую подложку в течение 10 минут при скорости осаждения 0,03 мкм/мин, при токе магнетрона на уровне 1А и рабочем давлении аргона 0,5Па. Пленка никеля напылялась на кремниевую подложку в течение 15 минут при скорости осаждения 0,02 мкм/мин при токе магнетрона 2А и рабочем давлении аргона 0,8Па. Напыление пленки алюминия на кремниевую подложку осуществлялось на установке «Оратория - 5» в течение 180 секунд при скорости напыления ОД мкм/мин и токе разряда 1р=8А. Получение слоев диоксида кремния осуществлялось плазмохимическим осаждением в смеси паров ГМДС [(СН3)б8Ю2] и кислорода на установке «УРМ 53» в заданном режиме (мощность ВЧ-разряда 400 Вт, парциальное давление толщины пленок Si02 проводился с помощью лазерного интерферометра. Пленки A1N были получены методом ВЧ-магнетронного распыления на установке «КОНТ». Источником материала служила алюминиевая мишень, распыляемая в атмосфере аргон-азотной смеси (70% аргон+30% азот). Осаждение A1N осуществлялось в течение 5 часов в заданном режиме (мощность ВЧ-разряда=500 Вт, ТПОді=300оС, скорость осаждения пленки Уогажд=1,6 нм/мин). Толщина пленок контролировалась методом отражательной эллипсометрии. 2. Калибровочная зависимость концентрации примесей в полупроводнике от величины выходного сигнала, регистрируемого СЕМ, была получена на серии образцов с известным уровнем легирования, представляющие собой стандартные кремниевые подложки различной проводимости КЭФ-4, КДБ-10, КДБ-1, КЭФ-0,05 и высоко легированные кремниевые образцы. В качестве электрического контакта образца с гнездом подачи напряжения (заземления) использовали алюминий, нанесенный на обратную сторону тестовых структур.
Оценка чувствительности и локальности методов электростатической силовой микроскопии и зонда Кельвина
Для оценки чувствительности и локальности АСМ при работе в режимах электростатической силовой микроскопии и зонда Кельвина в зависимости от многослойности структуры и толщины диэлектрических слоев были созданы тестовые структуры Si/Al/SiCb и Si/SiCVTi. Технология получения данных структур и их описание приведены в главе 2.
На образцах Si/Al/SiCb (рис. 28) проводились исследования чувствительности АСМ при работе в режимах ЭСМ и МЗК к изменению электрического потенциала в объеме многослойных структур. Значения толщины диэлектрика составляли от 0,20 мкм до 1,20 мкм (см. табл. 1). При наблюдении потенциального контраста в режимах МЗК и ЭСМ на А1 электрод подавали постоянное напряжение от 0 до 1,0 В с минимальным интервалом 0,1В. Расстояние между зондом и образцом составляло 10 нм. В качестве зондового датчика был выбран кремниевый кантилевер с проводящим Pt покрытием. Значения выходных сигналов измерялись на поверхности Si02 в зависимости от подаваемого напряжения на алюминиевый электрод.
Проведенные исследования на тестовых структурах Si/Al/Si02 показали, что чувствительность ЭСМ и МЗК на воздухе составляет 100 мВ. В режиме Кельвина и ЭСМ моде наблюдается пропорциональная зависимость выходных сигналов от потенциала на алюминиевом электроде. Значения выходных напряжений Uo в методе зонда Кельвина при подаче на электрод нулевого напряжения (UBX=0) должны соответствовать контактной разнице потенциалов между зондом и поверхностью S1O2, определяемой работами выхода материалов зонда и образца. На зависимости, представленной на рис. 47, начальные значения Uo различны от образца к образцу.
Это связано с технологией нанесения диэлектрического покрытия и наличием неконтролируемого количества паров Ог в плазме ГМДС+Ог во время осаждения, а также пористой структурой пленок, что приводит к отклонению состава от стехиометрии и изменению поверхностного электрического потенциала р(х,у).
В электростатической моде чувствительность измерений уменьшается с увеличением толщины диэлектрика (рис. 48). Крутизна выходного сигнала ЭСМ моды в зависимости от напряжения на электроде AFz(co)/AUBX уменьшается с увеличением толщины диэлектрика. Сигнал Fz{w), согласно (2), дС т, пропорционален —. В данном случае емкость воздушного конденсатора Cz постоянна, меняется поверхностная емкость Сх,у, обратно пропорциональная толщине пленок. Поэтому, выходной сигнал ЭСМ моды уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.
На рис. 49 представлена зависимость величины ЭСМ сигнала от расстояния между зондом и образцом. Перед ЭСМ измерениями цепь обратной связи отключалась, и зонд поднимался на заданную высоту над поверхностью образца. Амплитуда колебаний кантилевера под действием переменного и постоянного электрического напряжения, поданного на зонд или образец, может быть значительной. Согласно выражению (2), выходной ЭСМ сигнал меняется от максимального значения вблизи образца к минимальному при отдалении зонда от образца. На зависимости уровня выходного сигнала, регистрируемого в электростатической моде, от расстояния в системе «зонд-образец» имеется максимум, соответствующий величине амплитуды колебания кантилевера. При увеличении напряжения, подаваемого на А1 электрод, максимум сдвигается в сторону больших высот. Это объясняется тем, что величина амплитуды прогиба балки кантилевера становится соизмерима и больше расстояния Z между зондом и образцом.
Движение кантилевера ограничивается поверхностью образца (рис. 50). По мере увеличения Z амплитуда ЭСМ сигнала начинает расти, пока не достигнет максимума, при котором зонд уже не касается поверхности. Дальнейший ход зависимости определяется кулоновским взаимодействием. При изменении разности потенциалов в системе «зонд-образец» необходимо учитывать смещение точек максимумов для реализации оптимальных режимов измерений электрического потенциала. Локальность ЭСМ метода зависит от расстояния между зондом и поверхностью образца и составляет 10 нм при оптимальном режиме работы АСМ.
Измерение локальности метода МЗК проводилось на тестовой структуре Si/Si02/Ti, изображение сечения которой приведено на рис.29. На поверхности SiC 2 с помощью установки фокусированного ионного пучка Strata FIB 205 были сформированы Ті шины шириной 2 мкм и высотой 0,5 мкм. Расстояние между шинами изменялось от 0,1 мкм до 2,0 мкм.
На рис. 51 приведены изображения этой структуры, полученные в топологическом и МЗК режимах. Во время проведения измерений поверхность металлических шин была заземлена. В качестве зондового датчика использовался Si кантилевер с проводящим Pt покрытием. На рис. 51-6 представлена карта распределения работы выхода материалов титана и двуокиси кремния. Как видно из рисунка, электрический потенциал Si02, соответствующий минимальному зазору 0,1 мкм между двумя расположенными рядом металлическими шинами, различим на фоне потенциала проводников в поле сканирования (25x20) мкм.
