NOVEL CAPACITANCE- AND CHARGE-TRANSIENT-BASED SCANNING PROBE MICROSCOPY METHODS FOR ANALYSIS OF DEFECTS IN PROSPECTIVE SEMICONDUCTORS AND NANOSTRUCTURES

Project leaders

Filippo Giannazzo, Stefan Lanyi

Agreement

REPUBBLICA SLOVACCA - SAS - Slovak Academy of Sciences

Call

CNR/SAV 2013-2015

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

La microscopia a scansione capacitiva (SCM) è frequentemente usata nell'analisi delle strutture e dei dispositivi a semiconduttore [1-3]. La maggioranza dei microscopi sono basati su trasduttori a linea di trasmissione che hanno origine dallo sviluppo del sistema "RCA VideoDisc pickup" [4]. A causa della loro limitata stabilità essi usano una modulazione a bassa frequenza e misurano il segnale dC/dV. L'ampiezza del segnale è tipicamente inversamente proporzionale alla radice quadrata della concentrazione di drogante. Questo approccio risulta essere molto efficace nella determinazione dei profili di concentrazione nei dispositivi avanzati a semiconduttore importanti dal punto di vista tecnologico [5]. In particolare, i partner Italiani hanno sviluppato una procedura di calibrazione per convertire il segnale dC/dV in concentrazione di portatori e hanno applicato questo metodo non solo al Si [6], ma anche al SiGe [7], SiC [8] e GaN [9].
Al fine di evitare il rumore 1/f nelle misure SCM viene utilizzata una frequenza di modulazione al limite più alto dell'intervallo disponibile. Tuttavia può risultare interessante in alcuni casi variare la frequenza della tensione di modulazione. Nell'ambito di un precedente progetto congiunto, è stata osservata nelle immagini SCM su campioni di silicio contenenti nanocristalli di siliciuro un'inattesa inversione del contrasto [10], con un minimo del segnale alle frequenze di modulazione intermedie [11]. A causa di questo comportamento, una data concentrazione di drogante in una fissata posizione potrebbe essere interpretata come maggiore o minore di quella nella matrice circostante, a seconda della frequenza di modulazione. Un ulteriore approfondimento è necessario per comprendere l'origine di questo comportamento anomalo.
     Lo scopo del progetto proposto è quello di approfondire e chiarire le cause di questo effetto. A tal fine, saranno effettuati degli studi su ulteriori campioni, principalmente di Si contenente nanocristalli di siliciuri. Verranno confrontati vari metodi di microscopia a scansione di sonda (AFM, AFM conduttivo e SCM) presenti presso il CNR-IMM. Verrà anche utilizzato un microscopio a scansione per la misura di transienti di carica, sviluppato dal partner Slovacco. I risultati sperimentali verranno supportati dalle simulazioni, effettuate dal partner Slovacco principalmente mediante il metodo degli elementi finiti. Nell'ipotesi che vengano ottenuti profili di capacità di elevato rapporto segnale/rumore, sarà possibile dedurre sia la profondità che la dimensioni delle inclusioni nanocristalline, mettendo a punto una sorta di tomografia a scansione capacitiva.
 
[1] C.C. Williams, W.P. Hough and S.A. Rishton, Appl. Phys. Lett. 55, 203 (1989).
[2] V. V. Zavyalov, et al., J. Vac. Sci. Technol. B 18, 549 (2000). 
[3] J. Isenbart, A. Born, R.Wiesendanger, Appl. Phys. A 72 [Suppl.], S243–S251 (2001) .
[4] Palmer, E.J. Denlinger and H. Kawamoto, RCA Rev. 43, p. 194 (1982).
[4] N. Duhayon et al, J. Vac. Sci. Technol. B 22, 385 (2004).
[6] F. Giannazzo, D. Goghero, and V. Raineri,  J. Vac. Sci. Technol. B 22, 2391 (2004).
[7] F. Giannazzo, et al., J. Appl. Phys. 97, 014302 (2005).
[8] F. Giannazzo, F. Roccaforte, and V. Raineri, Appl. Phys. Lett. 91, 202104 (2007).
[9] F. Iucolano, et al.,Nucl. Instr. and Meth. B 257, 336 (2007).
[10] L. Dózsa, et al. Nanosc. Res. Lett., 6, 140 (2011).
[11] Š. Lányi, F. Giannazzo, L. Dózsa, unpublished.

Research goals

1. Comprensione dei meccanismi che causano lo shift della fase del segnale SCM rispetto alla frequenza di modulazione in campioni di silicio con nanostrutture di siliciuri
2. Studio del trasporto di corrente mediante misure CAFM effettuate su giunzioni Schottky in Si contenenti inclusioni di nanocristalli di siliciuri.  
3. Sviluppo di una tomografia a scansione capacitiva per la determinazione della profondita e delle dimensioni delle inclusioni nanocristalline di siliciuri in Si.
4. Determinazione delle energie di attivazione dei difetti presenti in varie posizioni su un campione di Si, mediante microscopia a scansione del transiente di carica (SQTM).

Last update: 20/04/2024