Entwicklung und Optimierung dynamischer Methoden der Raster-Sonden-Mikroskopie zur Charakterisierung von Halbleiterstrukturen

Abstract

This dissertation addresses a new method of scanning probe microscopy which is called intermittent-contact scanning capacitance microscopy (IC-SCM). IC-SCM is primarily used for qualitative determination of doping proles on semiconductor samples. This is done by moving an oscillating scanning probe over a two-dimensional area. Simultaneous capacity measurement and signal processing provides an image that shows the contrast between the differently doped regions of a sample. --- In this study, the method is presented by way of using silicon semiconductors as an example. It can, however, also be used to analyse a variety of other materials or material combinations. It distinguishes itself from the previously used scanning capacitance microscopy (SCM) in that there is no continuous contact between the probe and the sample. By reducing the lateral forces between scanning probe and sample surface, the spectrum of the materials that are to be analysed can be extended from very soft to ultra hard materials without damaging the sample surface or the scanning probe. In order to gain an accurate understanding, IC-SCM is first modelled and then simulated. Since the resolution of the dopant is crucial in the determination of doping profiles , this is the most important parameter in the simulations. The measurements carried out largely confirm the simulation results. A subsequent detailed measurement study shows the strengths and weaknesses of the process. The established standard SCM serves as a method of comparison. --- In addition to two-dimensional imaging, IC-SCM was expanded by a capacitance spectroscopy (IC-SCS). This allows the complete representation of the capacitance voltage behaviour at predetermined points of a sample. In addition, this process can optimise the contrast between differently doped areas and determine the doping type. Finally, the capacitance sensor has been replaced with a current sensor. By measuring the current, a change in capacitance can be identified. In contrast to the capacitance sensor, the current sensor allows the measurement of absolute values, which ultimately permits a quantidied statement on the capacity.

Diese Dissertation behandelt eine neuartige Methode der Raster-Sonden-Mikroskopie, die Intermittent-Contact-Scanning-Capacitance-Microscopy (IC-SCM) genannt wird. IC-SCM dient in erster Linie zur qualitativen Bestimmung von Dotierprofilen an Halbleiterproben. Dies geschieht mithilfe einer oszillierenden Rastersonde, die über einen zweidimensionalen Bereich geführt wird. Eine zeitgleich stattfindende Kapazitätsmessung und Signalauswertung liefert ein Bild, das Kontrast zwischen verschieden dotierten Gebieten einer Probe zeigt. --- Im Rahmen dieser Arbeit wird das Verfahren exemplarisch an Halbleitern aus Silizium vorgestellt. Es lässt sich aber auch eine Vielzahl weiterer Materialien oder Materialkombinationen damit analysieren. Die Methode grenzt sich im Bezug zum bisher genutzten Scanning-Capacitance-Microscopy (SCM) dahingehend ab, dass kein ständiger Kontakt zwischen Messsonde und Probe besteht. Durch die weitgehende Eliminierung der lateralen Kräfte zwischen Rastersonde und Probenoberfläche lässt sich das Spektrum der zu analysierenden Werkstoffe von sehr weichen bis zu ultraharten Materialien erweitern ohne die Probenoberfläche oder die Rastersonde zu schädigen. Zum genauen Verständnis wird IC-SCM zuerst modelliert und anschließend simuliert. Da bei der Bestimmung von Dotierprofilen besonders die Auflösung der Dotierstoffkonzentration entscheidend ist, stellt diese in den Simulationen den wichtigsten Parameter dar. Durchgeführte Messungen bestätigen weitestgehend die Simulationen. Eine anschließende detaillierte messtechnische Untersuchung zeigt die Stärken und Schwächen des Verfahrens auf. Als Vergleichsmethode dient dazu das etablierte Standard-SCM. --- Zusätzlich zur zweidimensionalen Bildgebung wurde IC-SCM um eine Kapazitätsspektroskopie (IC-SCS) erweitert. Diese erlaubt die vollständige Darstellung des Kapazitäts-Spannungsverhaltens an vorgegebenen Stellen einer Probe. Darüber hinaus können durch dieses Verfahren eine Optimierung des Kontrastes zwischen verschieden dotierten Gebieten sowie eine Bestimmung des Dotiertyps erfolgen. Abschließend wurde der Kapazitätssensor durch einen Stromsensor ersetzt. Durch die Strommessung kann dabei auf eine Kapazitätsänderung rückgeschlossen werden. Der Stromsensor erlaubt im Gegensatz zum Kapazitätssensor eine Messung von absoluten Größen, was schließlich eine quantifzierte Aussage über die Kapazität ermöglicht.