CN102520213B

CN102520213B - 界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法

Info

Publication number: CN102520213B
Application number: CN 201110416217
Authority: CN
Inventors: 樊英民; 钟海舰; 徐耿钊; 刘争晖; 曾雄辉; 周桃飞; 邱永鑫; 王建峰; 徐科
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102520213A

Abstract

本发明提供多层半导体材料界面势垒测量装置及测量多层半导体界面势垒方法，属于半导体测试领域，该半导体装置包括一真空腔、一导电样品台、一扫描探针显微镜、一金属气源产生装置和一聚焦离子束显微镜系统；并且在该方法中，对多层结构的半导体样品，可以利用该半导体装置的聚集离子显微镜系统进行部分表面剥离，再原位沉积电极，然后用扫描探针显微镜进行测量；本发明解决了现有技术中只能测量表层缺陷而无法测量多层异质界面缺陷的问题，本发明采用逐层解剖，逐层测量的方法，极大的提高了工作效率。

Description

界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种逐层测量半导体界面势垒的方法。

背景技术

近年来，聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）技术是近二十年最新发展起来的具有微纳加工功能的新技术。它的精确定位、显微观测和微细加工功能使其在集成电路、半导体产业、纳米科技等领域的巨大应用前景而受到广泛的关注。离子束经过聚焦后，利用离子束的溅射功能，可以对从纳米到微米量级的大尺度范围材料和器件进行图形化剥离或者整体切削，还可利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料(如：Pt、W、Si等)和非金属材料(如Si、SiO2等)。此外，利用聚焦离子束的精确定位和控制能力，可以不用掩模版，直接在半导体材料和器件上特定的点或者区域进行离子注入，并能精确控制注入的深度和广度。与传统的掩模注入法相比，大大节约成本，还可节省加工时间。

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM），是可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。

随着半导体工业和纳米技术的发展，构成器件的结构尺寸越来越小，而构成器件的各种材料间的同质或异质界面的电学性质越发成为影响器件性能的关键。而当半导体同质或异质界面形成后，在接触界面附近将形成一个空间电荷区，由于其内部载流子浓度远低于中性区的载流子浓度，因此在空间电荷区存在着一个内建电场。这个内建电场所产生的电势差就是界面势垒。界面势垒作为表征半导体器件电学性能的主要参数之一，其与半导体的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度等密切相关，一直以来都是学术界和产业界的重要关注点。界面势垒测量的常用方法是通过测量反偏结的电容-电压(C-V)关系,从而推得界面势垒值。但该法仅能测量只存在一个界面的情形，而目前常见的电子器件和光电器件，大多为多层结构，其各界面间的势垒均无法准确测量，只能大致估计。但是对于多层半导体结构的界面势垒，采用上述技术没有很好的方法处理多层结构的界面势垒测量。

针对多层半导体结构的界面势垒难以测量的技术难点，本发明采用扫描探针显微镜技术，结合聚焦离子束既能剥离样品表面又能在给定区域诱导沉积电极的特点，可将材料表面逐层剥离，并逐层测量界面势垒，实现对多层结构半导体器件电学性质的探测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供多层半导体材料界面势垒测量装置及测量多层半导体界面势垒方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多层半导体材料界面势垒的测量装置，所述测量装置包括一真空腔、一导电样品台、一扫描探针显微镜、一金属气源产生装置和一聚焦离子束显微镜系统；所述导电样品台、扫描探针显微镜、金属气源产生装置和聚焦离子束显微镜系统置于所述真空腔内；所述聚焦离子束显微镜系统包括一离子束产生装置；所述离子束产生装置产生离子束用于剥离半导体材料；所述金属气源产生装置产生金属气源，用于配合所述离子束产生装置产生的离子束实施沉积金属电极；所述扫描探针显微镜包括第一导电扫描探针与第二导电扫描探针，两导电扫描探针用于和半导体材料表面接触并测量导电扫描探针和半导体材料表面之间的接触电势差。

所述扫描探针显微镜还包括一第一电流放大器、一第二电流放大器和一直流电源，所述第一、第二电流放大器用于测量电流；所述直流电源的负极端与第一电流放大器的第一端相连，所述第一电流放大器的第二端与第二电流放大器的第一端相连，所述第二电流放大器的第二端与导电样品台电学相连，所述第一导电扫描探针与直流电压的正极相连，所述第二导电扫描探针与第一电流放大器的第二端相连。

所述聚焦离子束显微镜系统还包括一电子束产生装置，产生电子束用于对半导体材料表面扫描成像，选定需要剥离的区域。

所述离子束是镓离子束和氦离子束中的任一种。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种利用如上述多层半导体材料界面势垒的测量装置的测量多层半导体界面势垒方法，包括步骤：

a) 将一具有多层结构的半导体样品置于导电样品台上；

b) 利用离子束剥离掉所述半导体样品的第一层的一区域，至显露出第二层的表面；

c) 利用扫描探针显微镜测量所述第一层的裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触，通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

所述扫描探针显微镜的运行模式为接触模式和轻敲模式中任意一种。

所述步骤c进一步包括：

c11）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合在第二层的裸露表面的侧面处沉积形成与导电样品台电学连接的一第一电极；

c12）利用扫描探针显微镜测量第一层裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触；第二电流放大器的一端与第一电流放大器电学相连，另一端与第一电极电学相连；通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

所述步骤a与b之间进一步包括如下步骤：

d）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合，在半导体样品侧面预先沉积形成一第二电极，且第二电极与导电样品台电学连接。

所述步骤c进一步包括：

c21）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合，在第二层的裸露表面的侧面处沉积形成与第二电极电学连接的一第三电极；

c22）利用扫描探针显微镜测量第一层裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触；第二电流放大器的一端与第一电流放大器电学相连，另一端与第二电极电学相连；通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

所述第一电极、第二电极和第三电极均为金属电极，且所述金属电极的材料是金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。

所述聚焦离子束显微镜系统还包括一电子束产生装置，产生电子束用于对半导体材料表面扫描成像，选定需要剥离的区域，所述步骤b中的半导体样品的第一层的一区域是利用所述电子束的扫描而选定的。

本发明的优点在于，本发明采用扫描探针显微镜技术，结合聚焦离子束既能剥离样品表面又能在给定区域诱导沉积电极的特点，可将材料表面逐层剥离，并逐层测量界面势垒，实现对多层结构半导体器件电学性质的探测。

附图说明

图1是本发明提供的多层半导体材料界面势垒的测量装置实施例一示意图；

图2是本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法实施例二步骤流程图；

图3A～3E是本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例工艺示意图；

图4是本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法实施例三步骤流程图；

图5A～5F是本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第三实施例工艺示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的多层半导体材料界面势垒测量装置及测量多层半导体界面势垒方法的具体实施方式做详细说明。

实施例一

图1所示为本发明提供的多层半导体材料界面势垒的测量装置实施例一示意图。一种多层半导体材料界面势垒的测量装置，其中，真空腔610内包括一导电样品台600、一扫描探针显微镜、一金属气源产生装置601和一聚焦离子束显微镜系统602；导电样品台600用于放置半导体样品605；聚焦离子束显微镜系统602包括一离子束产生装置603和一电子束产生装置604；离子束产生装置603产生离子束用于剥离半导体样品605，电子束产生装置604产生电子束用于对半导体样品605的表面扫描成像，选定需要剥离的区域；扫描探针显微镜包括两导电扫描探针606、607，两导电扫描探针606、607用于和半导体样品605表面接触并测量导电扫描探针和半导体样品605表面之间的接触电势差。

扫描探针显微镜还包括一第一电流放大器、一第二电流放大器和一直流电源，第一、第二电流放大器用于测量电流；所述直流电源的负极端与第一电流放大器的第一端相连，所述第一电流放大器的第二端与第二电流放大器的第一端相连，所述第二电流放大器的第二端与导电样品台电学相连，导电扫描探针606与直流电压的正极相连，导电扫描探针607与第一电流放大器的第二端相连。

实施例二

图2所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法的第二实施例流程图，包括：步骤a，将一具有多层结构的半导体样品置于导电样品台上；步骤b，剥离半导体样品的第一层的一区域，至显露出第二层的表面；步骤c，在第二层表面的侧面处沉积金属电极；步骤d，测量第一层裸露表面的界面势垒；步骤e，剥离剩余的第一层的区域，至显露出第二层的表面。

图3A所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤a的工艺示意图。本实施例采用具有多层结构的半导体样品500，共有三层结构，即第一层100，第二层101和第三层102。该半导体样品500固定在导电样品台103上。采用电子束产生装置104a产生的电子束对半导体样品500第一层100的裸露表面进行扫描成像，选定一个待剥离的区域。

图3B所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤b的工艺示意图。采用FIB显微镜系统的离子束产生装置104b产生的离子束实施剥离半导体样品500第一层100待剥离的区域，直至显露出第二层101。

图3C所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤c的工艺示意图。采用金属气源产生装置106与离子束产生装置104b相配合，在第二层101的侧面与导电平台103之间沉积金属电极107，使得第二层101与导电样品台103之间的电位相同。金属电极107的材料可选择金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。所述金属气源产生装置106与离子束产生装置104b相配合，指所述金属气源产生装置106产生金属气源，与离子束产生装置104b产生的离子束相配合。

图3D所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤d的工艺示意图。将两导电扫描探针110与111移动至第一层100裸露表面形成接触，两导电扫描探针110、111工作在接触模式。同时通过直流电源112，在两导电扫描探针110、111之间施加直流电压，电流放大器108测量两导电扫描探针110、111之间的电流，电流放大器109探测第一层100的裸露表面所收集到的电流。电流放大器109探测的电流的起始偏压反映两导电扫描探针110、111的针尖下方局部区域的界面势垒。

图3E所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤e的工艺示意图。采用FIB显微镜系统的离子束产生装置104b产生的离子束将该半导体样品500第一层100未剥离部分完全剥离，直至露出第二层101。

如需获得更多的界面信息，可以重复上述步骤a～e，即可测得半导体样品500第二层101的界面势垒。

实施例三

图4所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法的第三实施例流程图，包括步骤a1，将一具有多层结构的半导体样品置于导电样品台上；步骤b1，在半导体样品的侧面处沉积第二金属电极；步骤c1，剥离半导体样品的第一层的一区域，至显露出第二层的表面；步骤d1，在第二层表面的边缘处沉积第三金属电极；步骤e1，测量第一层裸露表面的界面势垒；步骤f1，剥离剩余的第一层的区域，至显露出第二层的表面。

图5A所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤a1工艺示意图。本实施例采用具有多层结构的半导体样品501，共有三层结构，即第一层200，第二层201和第三层202。该半导体样品501固定在导电样品台203上。采用电子束产生装置204a产生的电子束对半导体样品501第一层200的裸露表面进行扫描成像，选定一个待剥离的区域。

图5B所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤b1的工艺示意图。采用离子束产生装置204b与金属气源产生装置206相配合，在半导体样品501的侧面沉积第二金属电极207，且第二金属电极207同时与导电样品台203相连。第二金属电极207的材料可选择金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。所述金属气源产生装置206与离子束产生装置204b相配合，指所述金属气源产生装置106产生金属气源，与离子束产生装置104b产生的离子束相配合。

图5C所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤c1的工艺示意图。采用FIB显微镜系统的离子束产生装置204b产生的离子束剥离半导体样品501第一层200待剥离的区域，直至显露出半导体样品501第二层201。

图5D所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤d1的工艺示意图。采用离子束产生装置204b与金属气源产生装置206相配合，在第二层201的边缘处沉积第三金属电极217，使得第三金属电极217与第二金属电极207相连。第三金属电极217的材料可选择金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。

图5E所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤e1的工艺示意图。将两导电扫描探针210与211移动至第一层200裸露表面形成接触，两导电扫描探针210、211工作在接触模式。同时通过直流电源112，在两导电扫描探针210、211之间施加直流电压，电流放大器208测量两导电扫描探针210、211之间的电流，电流放大器209探测第一层200的裸露表面所收集到的电流。电流放大器209探测的电流的起始偏压反映两导电扫描探针210、211的针尖下方局部区域的界面势垒。

图5F所示为本发明提供的测量多层半导体界面势垒方法第二实施例步骤f1的工艺示意图。采用FIB显微镜系统的离子束产生装置204b产生的离子束将该半导体样品第一层200未剥离部分完全剥离，直至露出第二层201。

如需获得更多的界面信息，可以重复上述步骤a1～f1，即可测得半导体样品501第二层201的界面势垒。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1. 一种多层半导体材料界面势垒的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括一真空腔、一导电样品台、一扫描探针显微镜、一金属气源产生装置和一聚焦离子束显微镜系统；所述导电样品台、扫描探针显微镜、金属气源产生装置和聚焦离子束显微镜系统置于所述真空腔内；所述聚焦离子束显微镜系统包括一离子束产生装置；所述离子束产生装置产生离子束用于剥离半导体材料；所述金属气源产生装置产生金属气源，用于配合所述离子束产生装置产生的离子束实施沉积金属电极；所述扫描探针显微镜包括第一导电扫描探针与第二导电扫描探针，两导电扫描探针用于和半导体材料表面接触并测量导电扫描探针和半导体材料表面之间的接触电势差，所述扫描探针显微镜还包括一第一电流放大器、一第二电流放大器和一直流电源，第一、第二电流放大器用于测量电流；所述直流电源的负极端与第一电流放大器的第一端相连，所述第一电流放大器的第二端与第二电流放大器的第一端相连，所述第二电流放大器的第二端与导电样品台电学相连，第一导电扫描探针与直流电压的正极相连，第二导电扫描探针与第一电流放大器的第二端相连。

2. 根据权利要求1所述多层半导体材料界面势垒的测量装置，其特征在于，所述聚焦离子束显微镜系统还包括一电子束产生装置，产生电子束用于对半导体材料表面扫描成像，选定需要剥离的区域。

3. 根据权利要求1所述多层半导体材料界面势垒的测量装置，其特征在于，所述离子束是镓离子束和氦离子束中的任一种。

4. 一种利用如权利要求1所述多层半导体材料界面势垒的测量装置的测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，包括步骤： a)将一具有多层结构的半导体样品置于导电样品台上； b)利用离子束剥离掉所述半导体样品的第一层的一区域，至显露出第二层的表面； c)利用扫描探针显微镜测量所述第一层的裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触，通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

5. 根据权利要求4所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述扫描探针显微镜的运行模式为接触模式和轻敲模式中任意一种。

6. 根据权利要求4所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括： c11）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合在第二层的裸露表面的侧面处沉积形成与导电样品台电学连接的一第一电极； c12）利用扫描探针显微镜测量第一层裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触；第二电流放大器的一端与第一电流放大器电学相连，另一端与第一电极电学相连；通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

7. 根据权利要求4所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述步骤a与b之间进一步包括如下步骤： d）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合，在半导体样品侧面预先沉积形成一第二电极，且第二电极与导电样品台电学连接。

8. 根据权利要求7所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述步骤c进一步包括： c21）利用离子束产生装置和金属气源产生装置配合，在第二层的裸露表面的侧面处沉积形成与第二电极电学连接的一第三电极； c22）利用扫描探针显微镜测量第一层裸露表面的界面势垒；将两导电扫描探针移动至第一层裸露表面形成接触；第二电流放大器的一端与第一电流放大器电学相连，另一端与第二电极电学相连；通过直流电源在两导电扫描探针间施加一直流电压，利用第一电流放大器测量两导电扫描探针间的电流，第二电流放大器测量第一层裸露表面所收集到的电流。

9. 根据权利要求6所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述第一电极为金属电极，且所述金属电极的材料是金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。

10. 根据权利要求8所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述第二电极和第三电极均为金属电极，且所述金属电极的材料是金、银、铂、铝、铜、镍金属中的一种或任意几种的组合。

11. 根据权利要求4所述测量多层半导体界面势垒方法，其特征在于，所述聚焦离子束显微镜系统还包括一电子束产生装置，产生电子束用于对半导体材料表面扫描成像，选定需要剥离的区域，所述步骤b中的半导体样品的第一层的一区域是利用所述电子束的扫描而选定的。