CN103513063B - 一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，利用原子力显微镜和开尔文探测方法实现纳米硅浮栅结构的电荷注入纳米硅浮栅结构是碳化硅/纳米硅/碳化硅三明治结构，其中样品硅衬底在原子力显微镜轻敲模式下，给原子力显微镜导电探针外加+3V和–3V的偏压扫描样品硅衬底上纳米硅浮栅结构表面，实现电荷注入；电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式，此模式通过两步扫描和开尔文方法获得试样的表面电势信号；采用静电场分析和数值计算定量研究电荷注入，并通过静电场分析和数值计算获得电荷注入数目。

Description

一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法

一、技术领域：

本发明提出了一种利用原子力显微镜（AFM）和开尔文探测技术（KelvinProbe）在纳米硅浮栅结构中实现微观区域电荷注入和定量探测的新方法。

二、背景技术：

对纳米硅在微观层面电荷注入的研究，特别是定量研究，是深入理解硅基材料的物理特性和提高硅基器件的状态性能的重要基础。但传统的电学测试如C-V测试只能获取试样的宏观性质，无法进一步获知其微观的电学效应。近年来，原子力显微镜与其开尔文探测扩展模式正被越来越多地应用于半导体材料和器件微观区域的形貌和表面电势的表征中，但在目前电荷注入效应的研究领域，表面电势变化只是间接反映了存储电荷的存在，而无法给出存储电荷的具体数量。本发明在纳米硅浮栅结构中利用原子力显微镜成功实现了微观区域中电荷的注入并使用开尔文探测技术结合数值计算得到了注入电荷的密度，该成果对纳米硅中的电学性质研究具有重要意义，并可适用于其他材料浮栅结构的研究之中。

硅是半导体工业中最为重要的元素，它有着地壳资源丰富、提纯技术成熟、易于掺杂等优点而被广泛应用于集成电路场效应晶体管（MOSFET）和第一代单晶硅/多晶硅太阳能电池等器件中。但是一方面，随着集成电路的迅速发展，器件特征尺寸不断减小而逐步逼近物理极限，因此摩尔定律（即集成电路的集成度每18个月翻一番）面临即将失效的境地，对纳米尺度半导体物理和器件的研究就显得十分重要。另一方面，纳米科学与技术的蓬勃发展也推动了新型硅基材料与器件的制备和研究，比如纳米硅就因其独特的物理性质和广泛的应用前景而被大量研究。

首先，由于体硅材料是间接带隙半导体，所以其发光过程需要声子的辅助参与，极大地降低了发光效率。而纳米硅由于波函数在动量空间的扩展而被认为是准直接带隙材料，且实验中已经观测到纳米硅的光致发光和电致发光现象。第二，由于量子限制效应，纳米硅中的载流子具有分立的和展宽的能级，这样光发射的波长就可以通过调节纳米硅的尺寸来实现；这一效应同样有望应用于第三代新型太阳能电池中，通过尺寸控制来实现太阳光谱全波段的响应，从而提高电池的效率；另外在理论上，高密度和尺寸均一的纳米硅材料中还可以形成类似超晶格材料中的微带，载流子在微带间的跃迁可以实现对中远红外光波的响应。第三，纳米硅的充电效应可被应用于非挥发性浮栅存储器中，相比于传统的多晶硅浮栅存储器，其写入过程采用直接隧穿而非Fowler-Nordheim（FN）隧穿，且纳米硅中的存储电荷相互隔离，因此具有功耗低、速度快和可靠性高等优点。而在这些纳米硅基器件中特别是对于浮栅存储器，纳米硅中的电荷注入是一个十分重要的基本物理过程，对该过程的研究特别是微观定量的研究就具有重要的意义和价值。

另一方面，原子力显微镜（AFM）已作为一个重要而成熟的探测手段被广泛应用于纳米硅和其他纳米材料的研究中。近年来，原子力显微镜的许多电学扩展模式被开发出来，如静电力模式（EFM），表面电势模式（KPFM），扫描扩散电阻模式（SSRM）和导电模式（CAFM），为材料微观层面的电学探测提供了有力的支持。其中，表面电势模式采用开尔文探测技术，探测样品在微观尺度的表面电势情况，这一模式可被用来探测微观区域的电荷注入和存储特性。但在现有的研究工作中，表面电势信号只是作为注入电荷的一种间接信息来使用，而缺乏对表面电势与注入电荷数目之间定量关系的分析。这就制约了人们对纳米硅在微观层面电荷注入效应的深入研究。

因此，利用原子力显微镜实现纳米硅中微观电荷的注入，利用表面电势模式实现对注入电荷的探测，并且通过静电场分析得到表面电势与注入电荷量的定量关系就是一个尚待解决的而又十分具有研究意义的课题。

三、发明内容：

本发明目的是：对纳米硅中微观电荷注入过程的定量研究是提高纳米硅基器件性能的关键，本发明提出了一种基于原子力显微镜和表面电势探测技术实现对纳米硅中电荷注入微观定量的测试方法。

本发明的目的是这样实现的，纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，利用原子力显微镜和开尔文探测方法实现纳米硅浮栅结构的电荷注入和探测，通过静电场分析和数值计算获得电荷注入数目，包含以下三个步骤：

1）纳米硅浮栅结构中微观区域电荷的注入

纳米硅浮栅结构的样品是硅衬底上碳化硅/纳米硅/碳化硅（SiC/nc-Si/SiC）三明治结构；在室温和大气环境下，使用导电银浆将纳米硅浮栅结构样品的硅衬底与测试托盘粘连并使样品衬底接地，在原子力显微镜（德国Bruker公司，Nanoscope3D型号）轻敲模式（Tapping Mode）下，给原子力显微镜导电探针外加+3V和–3V的偏压扫描样品硅衬底上纳米硅浮栅结构表面，实现电荷注入；由于原子力显微镜导电探针针尖曲率半径为20–30nm，并考虑到电荷探测时系统的分辨率，电荷注入时扫描范围可控制在边长为100nm–1μm的正方形区域，扫描速率为1Hz。

2）纳米硅浮栅结构中注入电荷的探测

电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式（KPFM），此模式通过两步扫描和开尔文方法获得试样的表面电势信号。第一步在轻敲模式下先扫描试样的形貌线；紧接着第二步探针抬起一定高度（可根据试样表面粗糙度自行设定，一般在几十到几百纳米之间）探测试样的表面电势，此时控制电路给导电探针外加一直流交流混合电压信号，其中交流信号频率为导电探针共振频率，直流信号通过反馈系统自动控制而使探针的振动振幅为零，最后输出直流电压信号即为表面电势值。由于电荷的注入，表面电势的数值将发生变化。

3）采用静电场分析和数值计算定量研究电荷注入

通过静电场分析，将注入电荷引起的表面电势变化分解为硅衬底电势和纳米硅浮栅结构上的电势两部分：

SP＝ψ_s+V_f，

其中纳米硅浮栅结构的电势与注入电荷成正比（比例系数为等效电容）：

$V_f=\mathrm{\σ}(\frac{d_{\mathrm{nc}}}{2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}}+\frac{d_{\mathrm{tn}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{SiC}}}),$

其中符号定义：d_nc，d_tn，ε_Si和ε_SiC分别为纳米硅层和底层碳化硅的厚度和介电常数，σ为注入电荷面密度。

硅衬底电势与注入电荷的关系需要数值求解一维泊松方程：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{im}}=\stackrel{-}{+}\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Si}}}{\mathrm{\β}{L}_{\mathrm{Dp}}}{\left\{\right[\exp (-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_s)+\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_s-1]+\frac{n_{p0}}{p_{p0}}[\exp \left(\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_s\right)-\mathrm{\β}{\mathrm{\ψ}}_s-1\left]\right\}}^{1/2}$

可以使用Mathematica或Matlab等软件求解以上方程。式中σ_im=-σ为硅衬底中镜像电荷面密度，n_n0和p_n0为p型硅衬底中平衡态电子和空穴密度，β=q/k_BT（q是单位电荷，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度），L_Dp=(ε_Si/qp_p0β)^1/2为硅衬底德拜长度。此式当ψ_s<0时取正号而当ψ_s>0时取负号。这样就可以根据实验所得表面电势通过数值求解超越方程组的方法定量获知注入电子或空穴的数目。

本发明的有益效果是：利用原子力显微镜和开尔文探测技术实现了纳米硅浮栅结构试样微观区域电荷的注入和表面电势的探测，并根据静电场分析和数值计算将表面电势信息定量转换为注入电荷的数量。此方法对纳米硅中微观区域电学性能的研究有着重要的意义和价值，并且可以简单移植到其他浮栅结构的电荷注入研究中。此方法具体特点还包括：

1、原子力显微镜针尖只有20–30nm，可以实现微观区域的电学操作，获得测量样品的微观性质，并且探测分辨率高、可重复性好；

2、通过原子力显微镜实现电荷注入和探测的范围可以灵活调节（边长从几百纳米到数微米），电荷注入的偏压范围为-12V到+12V，可以满足不同试样的多种测试要求，并且整个操作过程对试样本身没有任何损伤，试样可接着进行其他表征；

3、本发明方法具有一定的普遍性，可适用于其他浮栅结构的研究中。

四、附图说明：

图1：左图（a）为纳米硅浮栅结构样品示意图，其中顶层和底层SiC层厚度分别为2nm和5nm，nc-Si层为4nm；右图为该结构的AFM形貌图，右图(b)中插图为透射电子显微镜（TEM）截面图。AFM形貌显示纳米硅密度约为5.5×10¹⁰cm^-2，横向尺寸为20±5nm，TEM截面图则证实了纳米硅晶粒的存在。

图2：左图(a)为AFM电荷注入过程示意图，其中样品衬底接地，在轻敲模式下给探针外加偏压实现电荷注入；右图(b)为KPFM模式测量电荷注入后的表面电势情况，其中样品接地，探针抬起一定高度进行二次扫描，反馈控制电路根据开尔文探测技术（Kelvin Probe）输出样品表面电势的数值。

图3：电荷注入后表面电势的情形。左图(a)为+3V偏压注入，右图(b)为–3V偏压注入；电荷注入范围为500nm×500nm。正偏压注入后电势变高而负偏压注入后电势变低，表明正偏压下注入空穴而负偏压下注入电子。

图4：通过静电场模型数值计算得到的注入电荷分布的三维立体图。左图(a)为+3V偏压注入情形，注入空穴面密度约为5.0×10¹⁰e cm^-2；右图(b)为–3V偏压注入情形，注入电子面密度约为2.6×10¹⁰e cm^-2。注入空穴数目多于电子，可能是由于纳米硅中空穴势阱的高度大于电子势阱，因此有更多的空穴能级可以存储电荷。

五、具体实施方式：

（一）纳米硅浮栅结构中微观区域电荷的注入

1、纳米硅浮栅结构试样的准备

纳米硅浮栅结构试样为p型单晶硅衬底（电阻率1.5–3Ωcm）上的碳化硅/纳米硅/碳化硅（SiC/nc-Si/SiC）三明治结构，其中底层碳化硅厚度为5nm，纳米硅层厚度为4nm，顶层碳化硅为2nm。为进行电荷注入测试，使用导电银浆（Silver Paint）将试样衬底与测试托盘粘连，最后将托盘与试样放置于原子力显微镜操作室中。

2、纳米硅浮栅结构的电荷注入

在室温和洁净空气氛围下，让原子力显微镜（德国Bruker公司，Nanoscope3D型号）工作于轻敲模式（Tapping Mode），在使样品衬底接地的同时，给导电探针（针尖镀有铂铱（Pt-Ir）合金，共振频率～70kHz）外加+3V和–3V的偏压扫描样品表面。反馈参数“Amplitude Setpoint”设为0，扫描范围设为500nm×500nm，扫描速率为1Hz，扫描时间约为4min。注入偏压大小可通过调节操作软件“Feedback Controls”面板中的“Analog2”参数来确定。

以上通过原子力显微镜（AFM）AFM软件操作界面，其中反馈控制通过“Feedback Controls”面板进行调节，二次扫描通过“Interleave Controls”面板控制。操作软件的版本号为Nanoscope V5.31R1。

（二）纳米硅浮栅结构注入电荷的探测

电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式（KPFM）来探测试样表面电势的情况。二次扫描模式选为恒距模式（“Interleave Controls”面板中“Interleave mode”设为“Lift”），探针的抬起高度设为50nm，扫描范围更改为2μm×2μm，扫描速率改为1.5Hz。这样注入电荷的区域位于整个探测区域的中心位置，这样可以观察到电荷注入区域和未注入区域表面电势的差别。

（三）采用静电场分析和数值计算定量获取电荷注入数量

测量得到的表面电势与注入电荷之间具有一定的数量关系，具体可表述为：

SP＝ψ_s+V_f

其中SP为由于电荷注入形成的表面电势，ψ_s为硅衬底上的分压，V_f为薄膜上的分压。V_f与注入电荷的关系可以通过平板电容模型求得：

$V_f=\mathrm{\&sigma;}(\frac{d_{\mathrm{nc}}}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Si}}}+\frac{d_{\mathrm{tn}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{SiC}}})$

公式中d_nc，d_tn，ε_Si和ε_SiC分别为纳米硅层和底层碳化硅的厚度和介电常数，σ为注入电荷面密度。ψ_s与注入电荷的关系可通过一维泊松方程求解：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{im}}=\stackrel{-}{+}\frac{\sqrt{2}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Si}}}{\mathrm{\&beta;}{L}_{\mathrm{Dp}}}{\left\{\right[\exp (-\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&psi;}}_s)+\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&psi;}}_s-1]+\frac{n_{p0}}{p_{p0}}[\exp \left(\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&psi;}}_s\right)-\mathrm{\&beta;}{\mathrm{\&psi;}}_s-1\left]\right\}}^{1/2}$

公式中σ_im=-σ为硅衬底中镜像电荷面密度，n_n0和p_n0为p型硅衬底中平衡态电子和空穴密度，β=q/k_BT（q是单位电荷，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度），L_Dp=(ε_Si/qp_p0β)^1/2为硅衬底德拜长度。此式当ψ_s<0时取正号而当ψ_s>0时取负号。

这样根据以上公式，可以从表面电势信号定量地计算出纳米硅中注入电荷的数量。对于一维泊松方程的求解可以通过Matlab软件的数值计算完成。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，其特征是利用原子力显微镜和开尔文探测方法实现纳米硅浮栅结构的电荷注入和探测，通过静电场分析和数值计算获得电荷注入数目，包含以下步骤：

1)纳米硅浮栅结构中微观区域电荷的注入

在室温和大气环境下，使用导电银浆将纳米硅浮栅结构的样品衬底与测试托盘粘连并使样品衬底接地，纳米硅浮栅结构是碳化硅/纳米硅/碳化硅三明治结构，其中样品硅衬底在原子力显微镜轻敲模式下，给原子力显微镜导电探针外加+3V和–3V的偏压扫描样品硅衬底上纳米硅浮栅结构表面，实现电荷注入；

2)纳米硅浮栅结构中注入电荷的探测

电荷注入后，原子力显微镜立即从轻敲模式切换为表面电势模式(KPFM)，此模式通过两步扫描和开尔文方法获得试样的表面电势信号：第一步在轻敲模式下先扫描试样的形貌线；紧接着第二步探针抬起几十到几百纳米之间的高度探测试样的表面电势，此时控制电路给导电探针外加一直流交流混合电压信号，其中交流信号频率为导电探针共振频率，直流信号通过反馈系统自动控制而使探针的振动振幅为零，最后输出直流电压信号即为表面电势值；由于电荷的注入，表面电势的数值将发生变化；

3)采用静电场分析和数值计算定量研究电荷注入

通过静电场分析，将注入电荷引起的表面电势变化分解为硅衬底电势和纳米硅浮栅结构上的电势两部分：

SP＝ψ_s+V_f，

其中纳米硅浮栅结构的电势V_f与注入电荷成正比：

$V_f=\mathrm{\&sigma;}(\frac{d_{\mathrm{nc}}}{{2\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{Si}}}+\frac{d_{\mathrm{tn}}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{SiC}}}),$

其中符号定义：d_nc，d_tn，ε_Si和ε_SiC分别为纳米硅层和底层碳化硅的厚度和介电常数，σ为注入电荷面密度；硅衬底电势与注入电荷的关系需数值求解一维泊松方程：

式中σ_im＝-σ为硅衬底中镜像电荷面密度，n_p0和p_p0为p型硅衬底中平衡态电子和空穴密度，β＝q/k_BT，q是单位电荷，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度，L_Dp＝(ε_Si/qp_p0β)^1/2为硅衬底德拜长度；此式当ψ_s<0时取正号而当ψ_s>0时取负号；这样就根据实验所得表面电势通过数值求解超越方程组的方法定量获知注入电子或空穴的数目。

2.根据权利要求1所述的纳米硅浮栅结构中的微观区域电荷注入和定量分析方法，其特征是电荷注入时考虑到原子力显微镜导电探针针尖曲率半径为20nm–30nm，并考虑到电荷探测时系统的分辨率，电荷注入时扫描范围控制在边长为100nm–1μm的正方形区域，扫描速率为1Hz。