Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Methoden
M19: Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (C-AFM)
M19: Leitfähigkeits-
Rasterkraftmikroskopie
(C-AFM)
Die ständig voranschreitende Miniaturisierung
in der Mikroelektronik bringt die herkömmlichen
Werkstoff- und Bauteiltestmethoden an ihre Grenzen
und verlangt u.A. auch nach neuen Charakterisierungstechniken
auf der Nanometerskala. Eine
Methode zur elektrischen Charakterisierung ist die
Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (Conducting
Atomic Force Microscopy, C-AFM), deren Messprinzip
in Abb. 1 illustriert ist. Dabei wird eine leitfähige
Sonde an einem ebenfalls leitfähigen Biegebalken
wie bei der herkömmlichen AFM-Methode über
die Probenoberfläche gerastert und simultan zur
Höhendetektierung der bei angelegter Spannung
U fließende Strom gemessen.
Die Methode lässt sich insbesondere zur Beurteilung
der Dickenhomogenität und der Erkundung
eventueller struktureller Defekte in dünnen dielektrischen
Schichten – wie sie z.B. in Transistoren als
Gateoxide eingesetzt werden – verwenden. Dabei
wird der Fowler-Nordheim-Tunnelstrom gemessen,
der neben Materialeigenschaften von Schicht
und Sonde sensitiv von der Schichtdicke abhängt.
Um morphologische Veränderungen während der
Messung zu vermeiden, werden bei Schichtdicken
im Nanometerbereich üblicherweise Spannungen
kleiner als 10 V angelegt. Die resultierenden Ströme
im fA- und niedrigen pA-Bereich erfordern die
Verstärkung mit einem hochempfindlichen Strom-
Spannungs-Wandler.
Abbildung 1:
Messprinzip der Leitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie:
Zwischen Probe und
leitfähiger Spitze wird eine Spannung U
angelegt und der resultierende Strom
nach entsprechender Verstärkung
detektiert.
Da die Methode im Kontakt-Modus durchgeführt
wird, muss die Sonde nicht nur elektrisch leitend
sondern auch verschleißfest sein, weshalb sich
B-dotierte Diamantbeschichtungen auf konventionellen
Si-Sonden besser als metallische Sonden
oder Schichten eignen. Aufgrund der Beschichtung
ist der Spitzenradius recht groß. Durch die polykristalline
Struktur des Diamantfilms trägt aber immer
nur ein Kristallit zum Stromfluss bei und die resultierende
laterale Auflösung liegt bei etwa 30 nm.
Um einen – die Strommessungen beeinflussenden
– Wasserfilm auf der Probenoberfläche zu vermeiden,
ist es weiterhin erforderlich, die Messungen
im Ultrahochvakuum durchzuführen.
Für die Untersuchung von dünnen dielektrischen
Schichten sind drei Messmodi entwickelt worden:
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