Titelaufnahme

Titel
Scanning capacitance microscopy/spectroscopy on semiconductors and related materials / von Wolfgang Brezna
VerfasserBrezna, Wolfgang
Begutachter / BegutachterinFriedbacher, Gernot ; Smoliner, Jürgen
Erschienen2005
Umfang149 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Silicium / MOS / Rasterkraftmikroskopie / Spektroskopie / Kapazität
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-17924 Persistent Identifier (URN)
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Scanning capacitance microscopy/spectroscopy on semiconductors and related materials [2 mb]
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Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Gegenstand dieser Dissertation ist die Anwendung von Rasterkapazitätsmikroskopie (SCM) und Spektroskopie (SCS) auf Silizium Proben. Das Funktionsprinzip von SCM ist eine sehr feine, elektrisch leitfähige Spitze, die über die Probenoberfläche gerastert wird und dabei die Kapazität zwischen Probe und Spitze aufzeichnet. Dadurch erhält man Informationen über die elektrischen Eigenschaften der Probenoberfläche. Alle hier untersuchten Proben zeigten Metall-Oxide-Halbleiter (MOS) Charakteristik und die Interpretation erfolgte entsprechend nach MOS Theorie. Alle Untersuchungen erfolgten in Umgebungsluft bei Normaldruck und Raumtemperatur.

Als erstes wurden die Eigenschaften von mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) hergestelltem ZrO2 für die Anwendung als Dielektrikum für SCM untersucht. Sowohl die niedrigen Abscheidetemperaturen (450C) als auch die gute Reproduzierbarkeit und die hohe Dielektrizitätszahl machen ZrO2 zu einem sehr vielversprechenden Material für SCM Anwendungen. Verglichen mit SiO2 bietet ZrO2 als Dielektrikum die Möglichkeit wesentlich dickere Schichten benutzen zu können, was zu geringeren Leckströmen und einer verbesserten Signalqualität führt. Es wurde herausgefunden, dass ZrO2 relativ unempfindlich gegenüber Aufladungseffekten ist, die bei Proben mit dünnem SiO2 oft die SCM Messungen stören.

Weiters wurde SCM angewandt um Schäden nach fokussierter Ionenstrahl (FIB) Bearbeitung zu untersuchen.

Es wurde die Intensitätsverteilung des Ionenstrahls ermittelt. Dazu wurden SCM Bilder von FIB prozessierten Implantationspunkten aufgenommen und mit den Topographiedaten verglichen. Danach wurde der Frage nachgegangen, bis zu welcher Tiefe die einfallenden Ionen messbare Schäden im Material hinterlassen. Zu diesem Zwecke wurden mittels FIB Beschuss Gräben in die Probe gemacht, die dann im Querschnitt untersucht worden sind. Wie sich herausstellte, zeigt SCM eine dreimal höhere Empfindlichkeit für Ionenschäden im Material als Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Der wichtigste Teil der Dissertation war jedoch die Enwicklung eines Aufbaus für quantitative Rasterkapazitätsspektroskopie (QSCS). Dabei wurde eine externe Kapazitätsbrücke an ein Rasterkraftmikroskop (AFM) angeschlossen. Der Versuchsaufbau wird genau beschrieben und die Unterschiede zu herkömmlicher qualitativer Rasterkapazitätsspektroskopie werden diskutiert.

Der neue Aufbau zeigte eine sehr hohe Sensitivität, sodass auch die Energieverteilung von Grenzflächenladungen aufgelöst werden konnten. Dies ist ein Vorteil zu herkömmlicher Rasterkapazitätsspektroskopie, bei der die angelegten Modulationsspannungen dafür zu groß sind. Der Aufbau wurde benutzt um eine auf Silizium abgeschiedene ZrO2 Schicht zu untersuchen, welche periodische Dickenschwankungen im Mikrometerbereich zeigt. Diese Dickenschwankungen entstanden vermutlich durch Selbstorganisation während des Wachstumsprozesses. Die Verteilung der lokalen Oxidladungsdichte entlang der Dickenschwankungen wurde quantitativ ermittelt.

Zusammenfassung (Englisch)

In the framework of this work, Scanning Capacitance Microscopy (SCM) and Spectroscopy (SCS) was applied to various silicon samples. In SCM, a tiny electrical conductive tip is scanned over a sample surface, and the capacitance between the tip an the sample is recorded. This can be used to investigate the local electrical behaviour of the sample surface. All samples used in this work showed a Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) behaviour and the data were interpreted by using MOS theory.

The measurements were performed under ambient conditions (room temperature and ambient atmosphere). The first project was to explore the properties of ZrO2 as dielectric material for SCM. The low growth temperature (Metal Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD, at 450 C) together with the good reproducibility of the MOCVD-process and the high dielectric constant make ZrO2 a very promising material for SCM applications. Compared with SiO2 as dielectric material, much thicker ZrO2 layers can be used resulting in reduced leakage currents and improved signal quality. ZrO2 was found to be quite insensitive to parasitic charging effects, which often disturb SCM measurements on samples with (thin) SiO2 layers.

SCM was also used to investigate Focussed Ion Beam (FIB) induced damage in silicon. The technologically important beam shape was determined by measuring the SCM image of FIB processed implantation spots and by comparison of topographical and SCM data. Further, the question was investigated how deep impinging ions generate measurable damage below the silicon surface. For this purpose, trenches were manufactured using FIB and analysed by SCM in cross sectional geometry.

It turned out that SCM shows a three times higher sensitivity to ion damage than Transmission Electron Microscopy (TEM).

However, the most important part of this work was to design a setup for quantitative Scanning Capacitance Spectroscopy (QSCS), where an external, ultrahigh precision, true capacitance bridge is used together with a commercially available Atomic Force Microscope (AFM). A detailed description of the setup is given and the differences to conventional, qualitative SCM are discussed.

The setup is sensitive enough to resolve the energetic distribution of interface trapped charges. This is an advantage compared to conventional SCMs, which have a limited energy resolution due to the large applied modulation voltages. Furthermore, the setup was used to investigate a ZrO2 layer that shows small, periodic thickness variation (ripples) on micrometer length scales at the edges of the samples due to self organization effects during the growth process.

The local oxide charge density distribution of this ZrO2 ripples was measured quantitatively.