SCM如何“看見(jiàn)"半導(dǎo)體中的載流子？

       SCM測(cè)試通常采用Pt/Ir導(dǎo)電涂層探針或金剛石涂層探針。在測(cè)量過(guò)程中，探針與半導(dǎo)體表面的薄介質(zhì)層接觸，并與下方半導(dǎo)體共同構(gòu)成一個(gè)納米尺度的MIS電容結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在探針和樣品之間施加由直流分量與交流分量組成的偏壓：

       其中，VDC用于設(shè)定局部MIS結(jié)構(gòu)的工作點(diǎn)，VAC則周期性調(diào)制探針下方載流子的積累與耗盡狀態(tài)。隨著半導(dǎo)體耗盡層寬度發(fā)生變化，探針—樣品之間的局部電容也產(chǎn)生相應(yīng)變化。

       SCM通過(guò)高靈敏度電容傳感器和鎖相檢測(cè)系統(tǒng)提取這一微小的交流響應(yīng)dC/dV。dC/dV信號(hào)包含振幅與相位兩個(gè)維度的信息：振幅反映載流子濃度的相對(duì)高低，而相位則直接指示載流子的類型——電子與空穴對(duì)調(diào)制電壓的響應(yīng)方向相反。通過(guò)對(duì)同一區(qū)域同時(shí)采集dC/dV振幅圖和相位圖，SCM能夠在一次掃描中獲得摻雜濃度與摻雜類型的二維空間分布，空間分辨率可達(dá)20nm。在標(biāo)準(zhǔn)成像流程中，通常需要先在樣品截面或表面選取含已知摻雜區(qū)域的參考位置，再對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行二維掃描與重構(gòu)。

       因此，SCM并不是直接檢測(cè)樣品中的摻雜原子，而是檢測(cè)局部載流子對(duì)交流電場(chǎng)的響應(yīng)。只有能夠參與電學(xué)響應(yīng)的活性載流子，才會(huì)對(duì)SCM信號(hào)產(chǎn)生直接貢獻(xiàn)。

圖1 掃描電容顯微鏡通過(guò)測(cè)量MIS電容隨施加電壓變化時(shí)的變化率dC/dV來(lái)進(jìn)行測(cè)量。金屬-絕緣體-半導(dǎo)體電容會(huì)隨探針下方耗盡層/富集層的深度變化而變化。

掃描電容顯微鏡應(yīng)用案例

案例一：SRAM中NMOS/PMOS摻雜結(jié)構(gòu)的二維SCM成像

       SRAM樣品中包含NMOS與PMOS的源漏注入?yún)^(qū)、n阱、p外延層以及LDD等結(jié)構(gòu)，摻雜類型與濃度覆蓋多個(gè)數(shù)量級(jí)。在SCM測(cè)試中，dC/dV信號(hào)經(jīng)鎖相放大后映射為顏色：n型區(qū)域呈負(fù)信號(hào)（暗色），p型區(qū)域呈正信號(hào)（亮色）；低摻雜區(qū)更易耗盡，dC/dV幅值更高，而高摻雜區(qū)信號(hào)相對(duì)較弱。因此，SCM圖像不僅能清晰區(qū)分pn結(jié)與摻雜類型，還能反映載流子濃度的相對(duì)高低。AFM形貌圖僅顯示注入?yún)^(qū)的幾何起伏，而同步采集的SCM數(shù)據(jù)可直接給出各注入?yún)^(qū)的電學(xué)摻雜分布，二者對(duì)照可驗(yàn)證器件結(jié)構(gòu)。對(duì)NMOS與PMOS區(qū)域分別在零偏壓下成像，可清楚識(shí)別n-LDD、p-LDD、n溝道與p溝道等細(xì)微結(jié)構(gòu)。這一案例說(shuō)明，SCM能夠在納米尺度上把“摻雜"從工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化為可直接觀測(cè)的二維電學(xué)圖像，適用于工藝監(jiān)控與器件結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。

圖2 AFM地形圖（左圖）揭示了SRAM樣品的摻雜區(qū)域，并顯示了PMOS和NMOS結(jié)構(gòu)，但無(wú)法提供有關(guān)摻雜濃度的信息。SCM數(shù)據(jù)則顯示了樣品上每個(gè)點(diǎn)的摻雜類型和濃度（中、右圖）。

案例二：InGaAs/InP紅外探測(cè)器中Zn擴(kuò)散p-n結(jié)的截面SCM分析

       在 InGaAs/InP 平面紅外探測(cè)器中，p-n結(jié)通常由Zn擴(kuò)散形成，擴(kuò)散深度、橫向擴(kuò)散范圍以及異質(zhì)結(jié)界面附近的擴(kuò)散行為直接影響量子效率、暗電流與串?dāng)_。傳統(tǒng)SIMS和ECV難以同時(shí)給出橫向擴(kuò)散信息，而截面SCM可在納米尺度上對(duì)解理面進(jìn)行二維載流子分布成像。對(duì)InGaAs/InP APD結(jié)構(gòu)，SCM圖像顯示未擴(kuò)散樣品中InP帽層為弱n型暗區(qū)，Zn擴(kuò)散后該區(qū)域轉(zhuǎn)為p型亮區(qū)；隨著擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，Zn進(jìn)一步進(jìn)入InGaAs吸收層并在其中形成p-n結(jié)。線剖面可清晰分辨n-InP、n-InGaAs、p-n結(jié)區(qū)與p-InP，其中結(jié)區(qū)因空間電荷區(qū)載流子濃度低而出現(xiàn)dC/dV 峰值。對(duì)PIN近紅外探測(cè)器，截面SCM不僅給出垂直方向p-n結(jié)，還直接呈現(xiàn)擴(kuò)散窗口邊緣的橫向擴(kuò)散；在 InGaAs/InP異質(zhì)結(jié)附近觀察到更強(qiáng)的橫向擴(kuò)散，歸因于Zn在InP中擴(kuò)散快于InGaAs，在界面附近形成積累。該案例表明，SCM能夠同時(shí)表征光電器件中p型擴(kuò)散的垂直深度與橫向范圍，為III-V紅外探測(cè)器工藝優(yōu)化和微米級(jí)光敏元設(shè)計(jì)提供直接的電學(xué)摻雜依據(jù)。

圖3 InGaAs/InP 剛生長(zhǎng)完的樣品的 SCM 圖像（a）、經(jīng)擴(kuò)散處理的 APD 結(jié)構(gòu)（b）以及經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散后的樣品（c）。（d）圖（a）的 SCM 剖面圖；（e）圖（c）的 SCM 剖面圖1。

廣電計(jì)量SCM分析服務(wù)能力

       廣電計(jì)量無(wú)錫集成電路測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)室配備了先進(jìn)的布魯克Dimension Icon原子力顯微鏡平臺(tái)與高頻電容傳感模塊，建立了面向半導(dǎo)體器件的掃描電容顯微鏡分析能力。該服務(wù)可在納米尺度上對(duì)Si、SiC、GaN、III-V族等半導(dǎo)體材料的截面或表面進(jìn)行二維載流子濃度對(duì)比與摻雜類型分布成像，空間分辨率可達(dá)20 nm。

       依托前沿技術(shù)布局，廣電計(jì)量成功攻克掃描電容顯微鏡技術(shù)難關(guān)，打破頂尖高校與科研院所的技術(shù)壁壘，成為國(guó)內(nèi)少數(shù)可對(duì)外提供該項(xiàng)商業(yè)化檢測(cè)服務(wù)的第三方實(shí)驗(yàn)室。

       在半導(dǎo)體客戶群體方面，SCM服務(wù)能力主要面向Si/SiC襯底生產(chǎn)廠商、功率器件設(shè)計(jì)與制造廠商、晶圓廠以及先進(jìn)封裝廠。在器件研發(fā)階段，SCM可用于離子注入與退火工藝的摻雜分布驗(yàn)證、外延層載流子濃度的二維均勻性評(píng)估以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)校核；在失效分析場(chǎng)景中，SCM可幫助定位pn結(jié)偏移、摻雜異常導(dǎo)致的漏電或擊穿路徑，為工藝改進(jìn)提供直接的物理證據(jù)。除半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)客戶外，SCM分析能力同樣面向材料研發(fā)相關(guān)的高校及科研院所，支撐新型半導(dǎo)體材料與器件結(jié)構(gòu)的摻雜機(jī)制研究。

       廣電計(jì)量將持續(xù)健全從形貌、結(jié)構(gòu)到電學(xué)摻雜表征的多技術(shù)協(xié)同分析能力，為先進(jìn)制程晶圓制造與功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)提供高時(shí)效、高精度的綜合分析解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] Proceedings of SPIE 7658, 76582O (2010).