Развитие методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования электрофизических свойств материалов наноэлектроники и структур на их основе

• Автор: Чуприк, Анастасия Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 178 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Современные зондовые методы диагностики и модификации электрофизических свойств материалов и структур
1.1 Роль сканирующей зондовой микроскопии в современной науке
1.2 Диагностика электрофизических свойств объектов методами сканирующей зондовой микроскопии
1.2.1 Контактные методы
1.2.2 Многопроходные методы
1.3 Локальная модификация поверхности методами сканирующей зондовой микроскопии
1.3.1 Механическая (тензостимулированная) ACM модификация поверхности
1.3.2 ACM модификация поверхности электрическим воздействием
1.3.3 СТМ литография
Заключение к главе
ГЛАВА 2. Подготовка и диагностика зондов для количественных контактных электрических ACM измерений
2.1 Нестабильность электрического контакта «зонд-образец» при износе
зонда
2.2 Подготовка зондов для контактных электрических ACM измерений
2.2.1 Осаждение углерода из остаточных газов в растровом электронном микроскопе
2.2.2 Напыление сплошной пленки проводящего материала на нижнюю часть чипа и кантилевера
2.2.3 Осаждение Pt пленки с помощью FIB
2.2.4 Нанесение на зонд проводящей Ga In эвтектики
2.2.5 Нанесение на зонд проводящего коллоидного состава
2.3 Калибровка работы выхода зондов
2.4 Методы контроля состояния формы зонда
2.4.1 Определение радиуса кривизны зонда по тестовой решетке TGT01

2.4.2 Определение радиуса кривизны зонда по ДНК
2.4.3 Определение радиуса кривизны зонда с помощью РЭМ
2.5 Контроль качества формы (степени изношенности) зонда по кривым
отвода
2.5.1 Роль капиллярных сил в атомно-силовой микроскопии
2.5.2 Полная сила, действующая на зонд. Построение кривых подвода-отвода
2.5.3 Определение эффективного радиуса зонда с помощью кривых подвода-отвода
Заключение к главе
ГЛАВА 3. Контроль процесса износа зонда in situ с помощью метода латеральных сил
3.1 Выбор оптимальной силы взаимодействия «зонд-образец» для
количественного контроля процесса износа зонда
3.2 Природа трения на микромасштабе

3.3 Качественная интерпретация результатов метода латеральных сип
3.3 Количественная калибровка метода латеральных сил
3.3.1 Деформации кантилевера под действием латеральных сил
3.3.2 Калибровка оптической системы регистрации
3.3.3 Проверка метода калибровки
3.3.4 Количественное применение метода латеральных сил для исследования адгезии углеродных нанотрубок
Заключение к главе
ГЛАВА 4. Количественные АСМ исследования электрофизических свойств материалов для наноэлектроники и структур на их основе
4.1 Контроль однородности нанесения диэлектрических слоев методом растровой электронной микроскопии
4.2 Исследование рельефа поверхности диэлектрических слоев и визуализация пространственной неоднородности электропроводности методами АСМ
4.3 АСМ методы количественного измерения емкости
4.3.1 Постановка проблемы
4.3.2 Метод "третьей гармоники"
4.3.3 Метод модуляции паразитной емкости
4.3.4 Мостовые (балансные) методы реализации КСЕМ
4.3.5 Анализ известных способов реализации КСЕМ
4.4 Измерения локальных вольт-фарадных характеристик с помощью АСМ
4.4.1 Метод измерения локальных вольт-фарадных характеристик с
помощью АСМ
4.4.2 Калибровка АСМ для электрических измерений
4.4.3 Измерение вольт-амперных характеристик
4.4.4 Тестирование метода измерения локальных квазистатических вольт-фарадных характеристик с помощью АСМ
4.4.5 Локальные квазистаические вольт-фарадные характеристики многослойных структур на основе сверхтонких диэлектрических слоев
Заключение к главе
ГЛАВА 5. СЗМ модификация рельефа поверхности и электрофизических свойств
материалов для наноэлектроники
5.1 Физико-химические основы локальной электростимулированной СЗМ модификации поверхности
5.2 АСМ наноструктурирование эпитаксиальных тонких УВа2Си307.х пленок
5.3 СТМ модификация ультратонких а-С:Н пленок короткими импульсами напряжения
Заключение к главе
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Развитие электроники и физики поверхности невозможно без развития методов диагностики, которые способствуют решению фундаментальных и прикладных задач микро- и наноэлектроники, связанных с характеризацией морфологических и электрофизических свойств микро- и наноструктур.
Наиболее распространенными методами решения таких задач являются растровая электронная микроскопия (РЭМ), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ), микроскопия на основе фокусированных ионных пучков, вторичная ионная масс-спектрометрия, оже-спектроскопия и другие. Для исследования электрофизических свойств поверхности (в частности, /-V и С-/ характеристик, стационарное и динамическое распределение поверхностного потенциала) используются контактные зондовые методы (метод проводимости, квазистатический СЛЛметод, метод высокочастотных С-/ характеристик) и бесконтактные методы (метод полного тока, калориметрический ме-тод определения работы выхода, метод Ричардсона, Зисмана-Томсона, метод Андерсона). Однако они наиболее приспособлены для исследования (контроля) свойств объемных материалов либо протяженных участков поверхности. С точки зрения исследования электрофизических свойств структур с высоким латеральным разрешением (менее 10 нм) наиболее перспективной является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ): атомно-силовая микроскопия (АСМ) и сканирующая туннельная микроскопия (СТМ).
Тем не менее, стандартные методы сканирующей зондовой микроскопии не позволяют количественно характеризовать электрофизические свойства объектов наноэлектроники. Это обусловлено низкой повторяемостью и воспроизводимостью результатов измерений. Для обеспечения стабильности и воспроизводимости измерений в первую очередь требуется создание специальных зондов (или специальная подготовка серийных), разработка способов калибровки измерительных средств и разработка методик выполнения измерений, создание тестовых структур для контроля качества зондов и калибровки.
Примером применения СЗМ для решения задач микро- и наноэлектрони-ки, требующих изучения электрофизических свойств поверхности, является определение /-V и СЛ/ характеристик субмикронных МДП структур на основе оксидов металлов с высокой диэлектрической проницаемостью. Интерес создания подобных структур обусловлен тем, что для создания современных по-левых транзисторов с технологической нормой ниже 65 нм требуется умень-шение толщины подзатворного оксида до размеров менее 1 нм. В качестве альтернативы БЮг в последние годы производители интегральных схем начали использовать диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, обеспечивающие требуемую «эквивалентную» толщину при достаточно большой физической толщине диэлектрика.
При изучении электрофизических свойств поверхности неизбежно электрическое воздействие на нее, которое очень часто приводит к модификации рельефа поверхности и ее свойств. По этой причине исследование физико-химических процессов зондовой модификации поверхности позволяет выбрать оптимальные

Например, для образования холмика из углерода размером 500 нм требуется 15 минут при и = 30 кВ и у = 0.01 пА/нм2.
Если в качестве образца взять изношенный АСМ зонд, то описанным способом можно вырастить «шапку» углерода на кончике зонда. Если осаждённый углерод будет контактировать с неповреждённым проводящим покрытием, то мы должны получать проводящие зонды. На рисунках 2.3 и 2.4 качестве примера приведен один из таких зондов.
10Св.'?007 ЛЮ тад НУ . НПЛ/
а :-й із --у ? : т,,у і? ссо :о - о і,-г
Рис. 2.3. РЭМ изображение зонда с осаждённым на нём углеродом: сигнал с детектора
вторичных электронов
Рис. 2.4 РЭМ изображение зонда с осажденным на нём углеродом: сигнал с детектора упруго отражённых электронов (2-контраст)
Однако, как показали АСМ испытания таких зондов, проводимость подготовленных таким образом зондов не улучшается по сравнению с проводимостью изношенных зондов. Этот эффект можно объяснить локальной модификацией проводящего покрытия, которое под воздействием электронного луча теряет свои проводящие свойства.