TW201415014A - 一種利用掃瞄展阻量測機構而決定區域阻値及載子濃度的方法 - Google Patents

一種利用掃瞄展阻量測機構而決定區域阻値及載子濃度的方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於量測一導電樣本之區域阻值及載子濃度的SSRM方法，藉以該方法包含：將該導電樣本之一側與一AFM探針接觸及將其另一側與一接觸電極接觸；在保持該AFM探針與該樣本之間之實體接觸的同時，以一調變頻率調變經施加以維持該AFM探針與該樣本之間之該實體接觸的力，藉此以該調變頻率來調變該樣本的展阻；量測流經該AFM探針與該接觸電極之間之該樣本的電流；及自該所量測之電流導出該經調變的展阻，其中導出該經調變的展阻包含利用一電流轉電壓放大器量測展流；將電壓信號轉換成一電阻信號；及自該電阻信號濾除在該調變頻率下的電阻振幅。

Description

一種利用掃瞄展阻量測機構而決定區域阻值及載子濃度的方法
本發明係關於掃描展阻量測(亦被稱為SSRM)。
在半導體工業中，度量衡在技術之發展中發揮主要作用，此係因為其允許提供必要資訊以表徵整合式裝置之特徵及性質。隨著裝置概念(藉以尺寸正縮小及/或功能性正增加)的出現，強加了對表徵技術之其他要求。此等要求中之一者為導出二維(2D)及/或三維(3D)摻雜劑及/或整合式裝置中之摻雜區的自由電荷載子分佈。此分佈很大程度地決定裝置效能，尤其在進一步按比例下調裝置尺寸時。
由於其高空間解析率、高靈敏度及高信雜比，實施掃描展阻顯微術(SSRM)以用於映射摻雜區之自由電荷載子分佈。此技術自展阻探針(SRP)技術導出，但其利用安裝於原子力顯微鏡(AFM)上之十分較小之尖端以探測摻雜區之區域展阻。
儘管具有所供應之優勢，但最先進SSRM很少能夠提供關於較高摻雜半導體裝置(諸如，FinFET或Nanowire(奈米線)FET)之自由電荷載子的空間分佈之準確資訊，尤其在進一步按比例下調摻雜區之尺寸時。
揭示一種用於SSRM之替代性操作模式，其被稱作允許自所量測之總電阻解耦展阻的力調變之SSRM。
本發明係關於一種用於利用掃描展阻量測而量測一樣本之展阻的方法，該方法包含：隨時間使接觸力變化；量測電阻之對應變化；及自該電阻之該變化導出載子濃度。在一較佳實施例中，以一調變頻率調變該接觸力，且利用FFT(快速傅立葉變換)方法決定在此調變頻率下的對應經調變之電阻的振幅。此實施例被命名為FFT-SSRM。
本發明係關於一種用於量測一導電樣本中之載子濃度的SSRM方法，該方法包含：將該導電樣本之一側與一AFM探針接觸，及將其另一側與一接觸電極接觸；在保持該實體接觸之同時以一調變頻率調變施加於該AFM探針與該樣本之間的力，藉此以該調變頻率調變該樣本之展阻；量測流經該AFM探針與該接觸電極之間的該樣本的電流；及自該所量測之經調變的電流導出該經調變之展阻。較佳地，藉由利用一電流轉電壓放大器量測展流而導出該經調變之展阻，藉此將電壓信號轉換成一電阻信號，及自該電阻信號濾除在該調變頻率下的該展阻變化之振幅。在一實施例中，利用一鎖定放大器濾除該展阻之該振幅。在另一實施例中，利用FFT濾除該展阻之該振幅。
1‧‧‧掃描展阻量測(SSRM)機構
2‧‧‧AFM探針
3‧‧‧導電樣本
4‧‧‧接觸電極
5‧‧‧控制單元
6‧‧‧線性電流轉電壓放大器
7‧‧‧快速傅立葉變換單元
10‧‧‧力調變之掃描展阻量測方法
為了教示本發明，包括圖式。此等圖式並非按比例，且其用於說明所揭示的量測機構之方法及操作的實施例。
圖1展示SSRM量測機構之示意圖。
圖2a至圖2b展示針對不同摻雜劑含量(1e16cm-3、5.8e16cm-3、8.8e17cm-3、5.0e17cm-3、5.0e19cm-3)所量測的電阻，及額外串聯電阻(1kΩ、1.2MΩ、8MΩ)，藉以所施加之力F保持恆定。
圖3展示說明力調變之掃描展阻量測的流程圖。
圖4展示針對摻雜劑含量(5.8e16cm-3)所量測之電阻變化及額外串 聯電阻之兩個值(0、30MΩ)，藉以調變所施加之力F。
圖5a至圖5c展示針對圖2a至圖2b中所展示之樣本所量測的電阻，藉以現調變所施加之力F。
圖6展示SSRM量測機構之示意圖。
圖7展示電流轉電壓放大器以用於提取經調變之電阻值。
圖8展示包含放大器及FFT變換單元之SSRM量測機構。
本發明教示擴展SSRM之能力以用於表徵裝置，其中相較於展阻之貢獻，其他串聯電阻對所量測之電阻Rmeas的貢獻可係主導的。因此，所量測之總電阻不再由展阻主導，而由體電阻或背接觸電阻主導。
圖1展示掃描展阻量測(SSRM)機構1中之樣本的示意圖。導電樣本3之一側與AFM探針2接觸，且其另一側與接觸電極4接觸，此情況經常標記為背接觸。在量測期間，藉由對導電AFM探針2及接觸電極4加偏壓而在樣本上施加電壓，藉此產生自AFM探針2流向接觸電極4之電流。藉由對施加至連接至AFM探針2之壓電元件的電壓偏壓進行控制，可控制由AFM探針2施加至樣本3之表面的力F。選擇所施加之力F以在電量測期間於AFM探針2與樣本3之間建立永久且穩定的實體接觸。在最先進SSRM中，此力F在SSRM量測期間保持恆定。如圖1中所展示，由機構1所量測之電阻Rmeas包含若干串聯連接之電阻。此總電阻Rmeas可被視為至少以下各者的串聯連接：AFM探針2的電阻Rtip、樣本3的展阻Rsp、經由樣本3朝向接觸電極4之電流路徑之行跡的電阻Rbulk，及此接觸電極4的電阻Rbc。
隨著摻雜劑濃度增加及/或樣本3之體積減小及/或接觸電極4之面 積減小，其他電阻對總電阻之貢獻可主導樣本3之展阻Rsp的貢獻。圖2a至圖2b中說明此效應。針對額外地與量測機構1串聯連接之電阻器Rseries的3個不同值，量測5個樣本3之總電阻Rmeas，該等樣本各自具有範圍為自1e16cm-3至1e20cm-3的不同摻雜劑濃度。藉由堆疊5個磊晶生長之矽層(各自為5μm(5微米)厚)來形成此樣本，藉以每層具有不同的p型摻雜劑濃度。利用SIMS驗證每一層之摻雜劑濃度。樣本3之摻雜劑含量愈高，則自由電荷濃度愈高，且因此對應展阻Rsp將愈低。如圖2a中所展示，當此額外串聯電阻自1kΩ(黑色、正方形)增加至1.2MΩ(藍色、圓形)直至8MΩ(紅色、三角形)時，如圖2a中所展示，所量測之總電阻曲線朝向較高值移位。在具有最高摻雜劑濃度(亦即，高於1e18cm-3)之樣本之間，幾乎不可在所量測之總電阻中看到差異，此係因為電阻曲線係飽和的。圖2b中亦看到此效應，其展示所量測之總電阻Rmeas隨摻雜劑濃度的變化。對於較高摻雜劑濃度及較高串聯電阻，所量測之總電阻較少由樣本3之摻雜劑濃度決定。
替代自總電阻值Rmeas導出展阻Rsp，而決定此電阻Rmeas之導出物係經由所施加之力F。因為展阻Rsp之值與由AFM探針2施加於樣本3上之力F的大小相關，因此可自所量測之電阻Rmeas移除其他串聯電阻之貢獻，此係因為力變化展阻Rsp為影響量測結果之唯一項。
(δRmeas(F)/δF)F=(δRsp(F)/δF)F (1)
其中Rmeas為所量測之電阻，F為施加至樣本3之力，且Rsp=ρ/4a，其中ρ為樣本3之半導體阻值，且a為AFM探針2與樣本3之間的接觸半徑。AFM探針2與樣本3之間的接觸取決於所施加之力F。
隨著所施加之力F，展阻Rsp之變化單調地增加，或隨著變化之力F，所量測之電阻曲線的斜率單調地增加，此係因為載子濃度減小。所量測之電阻曲線之斜率可與所量測之樣本3的摻雜劑濃度位準相關。所施加之力F係變化的，使得在量測期間維持AFM探針2與樣 本3之表面之間的實體接觸。
藉由掃掠預定範圍上之力F，可在樣本3之表面上的位置處量測電阻Rmeas-力F曲線，決定此曲線之斜率(δRsp(F)/δF)F及自此斜率決定展阻Rsp之變化。自由此獲得之展阻，可導出此位置處之摻雜濃度。當掃描樣本3之表面時，可針對樣本3上之不同位置而重複此程序。
決定樣本3上之位置處之展阻Rsp的較時間有效方法為以調變頻率fmod調變所經施加以維持AFM探針2與樣本3之間的實體接觸之力F。選擇所施加之力F的此變化△F以便保持AFM探針2與樣本3之間的實體接觸。藉由調變所施加之力F，以此調變頻率fmod調變樣本之展阻Rsp。量測流經AFM探針2與接觸電極4之間的樣本3之電流。接著自所量測之曲線導出經調變之展阻△Rmeas。圖3中之流程圖說明此力調變之掃描展阻量測方法10。選擇所施加之力F的偏移值以確保AFM探針2與樣本3實體接觸。接著，在保持AFM探針2與樣本3之間的實體接觸之同時，隨著時間使此所施加之力F變化(11)。當使所施加之力F變化時，量測電阻(12)。自所量測之電阻的振幅，可導出展阻(13)。較佳地，藉由利用電流轉電壓放大器量測展流而決定經調變之展阻，接著將電壓信號轉換成電阻信號，及自電阻信號濾除在調變頻率fmod下之電阻振幅(△Rmeas)。可利用快速傅立葉變換自所量測之電阻信號濾除壓電元件激勵(且因此力調變)之頻率下的此電阻振幅。或者，可利用調諧至調變頻率fmod之鎖定放大器處理所量測之信號，藉此僅處理具有此頻率fmod的所量測之電阻的彼部分。
通常，所施加之力處於GPa範圍中，且此力之振幅在自20%直至10%之範圍中變化。該力的變化愈高，則所量測之電阻的信雜比愈好，但此情況可係以空間解析度為代價的。取決於量測之所要重複性及準確性，在經調變之力信號的一或多個循環期間於每一位置處量測 電阻。
圖4說明利用具有5.8e16cm-3之摻雜劑濃度之樣本之此經調變之力方法。藉由使施加至連接至AFM探針2之壓電元件的電壓偏壓變化，所施加之力F的振幅在範圍△F上變化。此情況導致展佈Rsp及所量測之電流在範圍△R上變化。若串聯電阻增加(此處藉由將30MΩ之額外電阻添加至量測機構1來模擬)，則曲線移位至較高值，但在經調變之力F下之曲線的斜率保持不變。
經調變之力方法亦適用於利用如圖2a至圖2b中所展示之最先進接觸模式SSRM所量測的樣本。圖5a至圖5c展示此量測之結果。圖5a展示當利用所揭示之力調變的SSRM來量測5個摻雜層的堆疊時，所量測之電阻亦變化。圖5b展示每一摻雜層之電阻-力曲線，藉以圍繞DC或偏移值調變力：F(t)=Foffset±(△F/2)，使得圍繞DC值調變電阻。在圖5c中，將經調變之所量測之電阻Rmeas的振幅△Rmeas繪製為隨摻雜劑濃度變化。即使對於較高摻雜劑濃度及較高串聯電阻，此振幅與樣本3之摻雜劑濃度之間仍保持相關。可看到曲線未飽和。
圖6中展示此SSRM量測機構1之示意圖。SSRM量測機構1包含經組態以在SSRM量測期間實體地接觸樣本3之導電AFM探針2。壓電元件附接至此AFM探針，壓電元件經組態以控制AFM探針2之位置且因此亦控制由AFM探針2所施加之力。機構1進一步包含接觸電極4以用於接觸樣本3，藉此在SSRM量測期間於樣本3上提供電壓偏壓。此接觸電極4可為可移動晶圓載物台之部分，該載物台經組態以至少在水平面上移動樣本3，使得可量測樣本3上的不同位置。AFM探針2及接觸電極4電連接至控制單元5。此控制單元5將電壓偏壓提供給AFM探針2及接觸電極4，控制單元5控制2、4兩者之位置且接收在SSRM量測期間所獲得之信號。將在控制單元5中進一步處理此信號，藉此在樣本3上之每量測位置傳遞展阻Rsp。
此控制單元5可進一步包含線性電流轉電壓放大器6以將電流轉換成可導出電阻振幅信號之電壓信號，此係因為所量測之電阻與輸出信號之間存在線性關係。圖7說明此放大器6及其操作。所量測之電阻信號可寫為：R=-Rref.Vbias/Vout，其中Vbias=Rref.Iref=R.I。電流Iref為當在參考電阻Rref上施加DC偏壓Vbias時流經參考電阻Rref的電流，且R為對應於所量測之電流信號I的所量測之電阻值，該電流信號I在施加於樣本3上之偏壓Vbias下流動。
圖8示意性地展示圖6中所展示之量測機構1的較詳細示意圖。控制單元5包含連接至快速傅立葉變換單元7之線性電流轉電壓放大器6。
10‧‧‧力調變之掃描展阻量測方法

Claims (8)

  1. 一種用於利用一掃瞄展阻量測機構而決定一樣本之區域阻值及載子濃度的方法，該方法包含：將一樣本之一側與一AFM探針接觸，藉此將一接觸力施加至該樣本，將該樣本之另一側與一接觸電極接觸，使該接觸力變化，量測該樣本之電阻的對應變化，及自此變化導出該樣本之該阻值及該載子濃度。
  2. 如請求項1之方法，藉以使該接觸力變化包含在維持接觸的同時以一調變頻率調變該接觸力的振幅，且量測該樣本電阻變化包含自該對應經調變的樣本電阻導出在該調變頻率下的電阻振幅。
  3. 如請求項2之方法，其中該電阻振幅係利用快速傅立葉變換而導出。
  4. 如請求項2或3之方法，其中量測該樣本電阻變化包含量測流經該樣本之一電流，及利用一電流轉電壓放大器將該所量測之電流轉換成一電阻。
  5. 如請求項1之方法，進一步包含：將該樣本之一側與一AFM探針接觸，及將其另一側與一接觸電極接觸，在保持該AFM探針與該樣本之間之實體接觸的同時以一調變頻率調變經施加以維持該實體接觸的該力，藉此以該調變頻率來調變該樣本的展阻、量測流經該AFM探針與該接觸電極之間 之該樣本的該電流，及；自該所量測之電流導出該經調變之展阻。
  6. 請求項5之方法，其中導出該經調變之展阻進一步包含利用一電流轉電壓放大器來量測展流，藉此將電流信號轉換成一電阻信號，及，自該電阻信號濾除在該調變頻率下之該電阻振幅。
  7. 如請求項6之方法，其中濾除該電阻振幅包含利用調諧至該調變頻率之一鎖定放大器。
  8. 如請求項6之方法，其中濾除該電阻振幅包含利用快速傅立葉變換，及；選擇在該調變頻率下之該信號。
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