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微奈米量測技術 : 掃描電容顯微鏡技術 (SCM)

課程 : 奈米材料檢測技術 班級 : 奈米四甲 姓名 : 陳子偉 學號 :49914057 教授 : 王聖璋. 微奈米量測技術 : 掃描電容顯微鏡技術 (SCM). 掃描式電容顯微鏡 (SCM).

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微奈米量測技術 : 掃描電容顯微鏡技術 (SCM)

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  1. 課程:奈米材料檢測技術班級:奈米四甲 姓名:陳子偉 學號:49914057 教授:王聖璋 微奈米量測技術:掃描電容顯微鏡技術(SCM)

  2. 掃描式電容顯微鏡(SCM) • 掃描電容顯微鏡 (Scanning Capacitance Microscopy，簡稱SCM) 技術最早是由英國諾丁漢大學 ( University of Nottingham) 物理系的C. D. Bugg與P. J. King於1988年所提出，操作模式為非接觸式，以表面形貌的掃描為主要目的。C. C. Williams等人於1989年首度將掃描電容顯微鏡技術成功應用於半導體載子濃度分佈的量測，操作模式為接觸式，從此掃描電容顯微鏡分析技術開始受到廣泛的注意。

  3. 掃描式電容顯微鏡(SCM)原理 利用接觸式原子力顯微鏡掃描試片，但是卻使用金屬探針，如此可讓探針及試片上的氧化層形成一個MIS電容(如下圖) ，並於探針加上一交流電壓，來檢測表面層之電容變化。

  4. 訊號偵測與分析 • 掃描電容顯微鏡藉由一極高頻 ( ul tra - high frequency，簡稱UHF) 共振電容感測器作為訊號偵測的工具，其裝置連接於探針懸臂之後端，如圖一所示。當導電探針與半導體試片接觸後，感測器、探針及試片表面的自由載子 ( free carriers) 都成為共振系統的一部份，亦即探針與試片間的電容變動會造成系統中共振頻率的改變,所以任何微小電容變動所導致的共振頻率變化都將造成感測器之輸出訊號有明顯的改變，再配合鎖相放大器的輔助，此裝置提供掃描電容顯微鏡極高的靈敏度，可量測到attofarads (10- 1 8 F) 以下的電容變化值。

  5. 訊號偵測與分析 • 如許多文獻資料所述，微分電容訊號值在高載子濃度區較小在低載子濃度區較大，但實際分析微分電容訊號時，還需注意到偏壓效應， J. Smoliner等人的研究指出，掃描電容顯微鏡的微分電容訊號大小並非單純隨載子濃度上升而下降，任何載子濃度都可能產生微分電容訊號的最大值，視所採用的直流偏壓點而定，當偏壓使試片產生足夠強烈的累聚現象，則微分電容訊號會隨摻雜濃度增加而衰減，結果如圖二所示。因此，對某一特定的半導體材料，載子濃度與微分電容訊號都有其特殊對應的關係，此一現象也直接影響微分電容訊號在電性接面區附近的強度分佈行為。

  6. 影響微分電容訊號的因素 • 試片製備 • 掃描電容顯微鏡的微分電容訊號不只受到載子濃度的影響，也會受試片表面的性質所干擾，特別是氧化層的特性，如電荷捕獲密度 (density of cha rgetraps )、氧化層缺陷及介電常數等都可能影響其量測訊號，這些影響因素通常由在大氣環境下所生成的原生氧化層 ( native oxide layer) 引起，除此之外，氧化層本身厚度的變動也會影響探針與試片間的電容值。

  7. 探針形狀 另一影響微分電容訊號的因素為探針本身，針尖輪廓將強烈影響到掃描電容顯微鏡的量測訊號，A. Born及R. Wiesendanger等人模擬分析不同曲率半徑的探針對量測訊號的影響，模擬計算之對象為金屬探針，並採用3 D極座標系統為座標軸，其模型如圖( a )所示，其中ra為探針與試片間之有效接觸半徑 、ri為探針頂端半徑，其考量為有效接觸面積的影響，以及探針斜角α。以數種不同曲率半徑的探針在均勻P型摻雜濃度之條件下，進行模擬實驗，圖( b )與( c )為其模擬結果，圖( b )的結果顯示ra為支配SCM訊號的主要因素，而 ri的變化對整體訊號的影響約佔2 0 % ~ 3 0 %；圖( c )的模擬結果則顯示當摻雜濃度大於1 01 8c m- 3時，探針的曲率半徑對SCM訊號的影響並不明顯，只有在較低濃度時才有較顯著的區別。由此可見探針形狀是掃描電容顯微鏡進行定量分析的重大瓶頸點之一，有關探針製作技術的研究將是SCM分析技術能否更上層樓的關鍵因素之一。

  8. 電容感測器 掃描電容顯微鏡的解析度可藉由探針接觸面積的微小化來提昇，而且目前已可製造出半徑1 0奈米的探針，但對此結構而言，若要持續降低有效接觸面積來獲得高解析度，將會面臨數個困難點，其中之一為雜散電容可能會強壓過接觸電容造成解析度無法有效提昇。T. Tra n及R. Olive r等人自行研發一種Microstrip resonator (如圖九所示)，可使掃描電容顯微鏡的靈敏度提高至1 0- 2 1F，對S C M量測技術的改善開拓了另一條道路。

  9. 結論 • 掃描電容顯微鏡有別於傳統的摻雜輪廓分析技術，其特點在於能夠快速而直接偵測出半導體材料中自由載子的二維分佈情形，除可作為製程改善之依據，近年來更被廣泛應用到I C元件失效及可靠度分析等領域，因此掃描電容顯微鏡可說是一項極有力的表面電性分析工具。 • 但隨著元件製程邁入奈米領域，掃描電容顯微鏡的空間解析能力亦面臨諸多挑戰，目前，改善試片製備流程、研發探針製作技術及開發新一代的電容感測器，皆能有效地提昇掃描電容顯微鏡的訊號解析度，此外，針對試片或製程的個別需求，開發相關的分析技術亦有其必要性，相信未來掃描電容分析技術在半導體材料領域的重要性將與日俱增。 • 上文一直提到的載子濃度也是相當重要的一點，在物理學中，載流子（charge carrier）指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。在半導體物理學中，電子流失導致共價鍵上留下的空位（電洞）被視為載流子。在不同環境、場所、材質下的載子也會不同。

  10. 參考文獻 • 1. 張茂男、潘扶民、張子云、吳柏偉，「掃描電容顯微鏡技術介紹」，毫微米通訊，7卷3期，p.26-30 (2000). • 2 . 張茂男、陳志遠、張子云、潘扶民，「掃描電容顯微鏡在微量鐵污染對薄氧化層影響之研究」，毫微米通訊， 8卷3期，p.12-17 (2001). • 3 . 張茂男、陳志遠、潘扶民，「掃描電容顯微鏡分析技術及其在矽晶圓表面分析之應用」，科儀新知，2 2卷5期，p . 6 7 - 7 5( 2 0 0 1 ) • 4 . J. Smoliner, B. Basnar, S. Golka, E.G o rnik, B. Loffl e r, M. Sch at z m ay r, and H.E n i ch l m a i r, Appl. Phys. Lett., 7 9, 3182( 2 0 0 1 ) . • 5 . Jo s eph J. Kopanski, Jay F. March i a n d o ,and Je remiah R. Low n ey, Mat e r. Sci. Eng.B 4 4, 46 (1997). • 6 . Yo i chi Takasaki and Takuma Ya m a m o t o ,M i c ro e l e c t ronics Reliability 3 9, 987( 1 9 9 9 ) . • 7 . C. C. Williams, V. V. Zav ya l ov, J. S.M c M u rray, S. D. Stirl i n g, and H. Smith, J.Va c. Sci. Te chnol. B 1 8, 549 (2000). • 8 . http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch8.htm • 9 . http://www.ndl.narl.org.tw/cht/ndlcomm/P9_3/11.pdf

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