Axel Born, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Schlagwörter: Scanning probe microscopes , Failure analysis, Integrated circuits ,Nanometer-scale fabrication , Nanotechnology
PACS: 07.79, 85.40.Qx, 85.40.Ux, 85.40.U
Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei attraktiven Themen: der Nano-technologie und der
Rastersondenmikroskopie (engl. Scannning Probe Microscopy, SPM). Die Nanotechnologie scheint das
technologische Gebiet zu sein, das zukünftig enorme Chancen bietet, und die SPM scheint das - für die
Nanowissenschaft und Technologie - geeignete Instrument zu sein.
Das erste Kapitel beginnt mit der Definition von Nanotechnologie und SPM. Weiterhin gibt es einen
kurzen Überblick der in dieser Arbeit verwendeten SPMs.
Das zweite Kapitel befasst sich mit der SPM-Charakterisierung auf Nanometer-Ebene. Die SPM konnte
sich in letzter Zeit als industrielles Analyse-Werkzeug durch-setzen, aufgrund ihrer exzellenten
Ortsauflösung und ihrer Fähigkeit, unter Um-gebungs-bedingungen zu messen. Die vorliegende Arbeit
konzentriert sich auf die Analyse von zwei-dimensionalen Dotierprofilen. Das vielversprechendste
Gerät für diese Nano-Charakterisierung scheint zz. das Raster-kapazitäts-mikroskop (engl. Scanning
Capacitance Microscope, SCM) zu sein. Es bietet eine Reihe von Vorteilen: Es ist kommerziell
verfügbar, es bietet eine hohe laterale Auflösung und es ist einfach zu benutzen. Demgegenüber
bemängeln viele SCM-Benutzer die Schwierigkeit hinsichtlich der Interpretation von SCM-Daten. Das Ziel
des Kapitels 2.2 ist, ein physikalisches Verständnis des SCM herauszuarbeiten. Ausgangspunkte sind die
Klärung der Auswirkungen der Eigenschaften des Kapazitätssensors, der Effekte der drei-dimensionalen
Probe-Sonde-Geometrie und die Rolle einer geeigneten Probenpräparationstechnik. Dieses Wissen
ermöglicht uns, Aussagen über die erreichbare Auflösung des SCMs zu treffen. Schließlich werden
noch einige Beispiele aus dem Bereich der Fehleranalyse gezeigt.
Des weiteren werden im zweiten Kapitel noch die Auswirkungen des Messens unter Umgebungsbedingungen
beleuchtet. Hierbei wird der Schwerpunkt auf die Effekte gelegt, die mit dem Wasserfilm auf der
Proben-Oberfläche verbunden sind. Beruhend auf diesem Wasserfilm wird ein Modell vorgestellt, das alle
- mittels Rasterkapazitätsspektroskopie (engl. Scanning Capacitance Spectroscopy, SCS)
gemessenen - Hysterese-Effekte in C-V-Kurven erklären kann. Ein Vergleich von experimentellen und
theoretischen Daten zeigt eine hervorragende Überein-stimmung. Diese Klärung der Hysterese-Effekte
stellt eine sichere Basis für quantitative SCM- und SCS-Messungen dar. Von da an ist eine Konversion
der SCM/SCS-Daten in eine verlässliche 2D-Karte der Dotier-Konzentration möglich. Dies wird am Ende
des zweiten Kapitels dargestellt. Zum ersten Mal konnte auch die Konversion eines p-n-Übergangs
gezeigt werden.
Das dritte Kapitel liefert einen Einblick in die mögliche Zukunft der Daten-speicher-technologie.
Es werden zwei Prototypen beschrieben, die entwickelt wurden um eine ultra-hohe Datendichte und eine
hohe Datentransferrate zu erreichen.
Das letzte Kapitel zieht ein Resümee der vorliegenden Arbeit und zeigt mögliche zukünftige Projekte
auf.
The present work deals with two hot topics: Nanotechnology and Scanning Probe Microscopy (SPM). Nanotechnology seems to be the area that will most likely produce the breakthroughs of tomorrow, and SPM seems to be the proper instrument for nanoscience and technology. The first chapter starts from definitions of nanotechnology and SPM. Furthermore, it gives a short survey of SPMs used in this work. The second chapter deals with SPM-characterization on the nanometer scale. SPM has developed to become an important analytical tool in industrial surroundings, owing to its excellent spatial resolution and its abillity to work under ambient conditions. The work focuses on the analysis of two-dimensional profiling of the dopant concentration. For nano-characterization, the Scanning Capacitance Microscope (SCM) seems to be the most promising tool. The SCM offers a lot of advantages: it is commercially available, it offers a high spatial resolution and it is easy to use. On the other hand, many SCM operators complain about a difficult interpretation of the results of SCM measurements. The objective of chapter 2.2 is to work out a firm basis for Scanning Capacitance Microscopy. Starting points are the explanation of the influence of the capacitance sensor, the effect of the 3D sample-probe-geometry on the measured capacitance-versus-voltage (C-V) curves and the role of a proper sample preparation technique. This knowledge enables us to make general statements about the possible resolution of SCM. Finally, some examples for failure analysis applications will be given. Furthermore, the second chapter illustrates the influences of the surrounding environment. Here, the focus lies on effects depending on a water layer on the surface. In consideration of this water layer, it is possible to present a model explaining the hysteresis of C-V curves measured by Scanning Capacitance Spectroscopy (SCS). A comparison of experimental and theoretical data shows an excellent correspondence. This clarification of the hysteresis is the firm basis for quantitative SCM and SCS measurements. From now on, the conversion of SCM/SCS data into a reliable 2D map of the dopant concentration is possible and will be shown at the end of the second chapter. For the first time, the conversion of a p-n junction will be presented. The third chapter gives an insight into the possible future of storage technologies. It deals with the description of two prototypes, that were developed to reach ultra-high-density-storage in combination with high data rates. The final chapter gives a summary and an outlook with regard to further projects.