纳米尺度下的元器件剖析

       电子工业的数字化和微型化是近年来的重要发展趋势，也是微电子元器件创新的主要动力之一。因此，在微纳米尺度对元器件和材料的电学性能进行测量,也成为了元器件研究、工艺、以及失效分析的重要手段。例如: 介电层在纳米范围内的厚度偏差会产生介质击穿的薄弱点，从而降低整个薄膜的可靠性；器件内单个微结构异常的“电流-电压”响应关系往往是器件失效的原因等等。

       安东帕Tosca系列原子力显微镜（AFM）以其优异的探测性能和简捷高时效的操作流程，受到广大用户的青睐，成为显微结构和物性分析的强大工具。Tosca在纳米级的三维成像及尺寸测量、粗糙度分析、微区组分分布信息探测、微区力学性质测试、纳米尺度电学特性测试、以及高分辨磁学分布特性分析等领域，都有着出色的表现。

       下面，我们介绍的是Tosca系列AFM的电学测试功能中的电流分析模式。测试以厚膜电阻器为例。厚膜电阻器Z常见的电阻器类型之一，该结构包括一个绝缘的陶瓷基材料与沉积在上面的电阻层，电阻层可达100µm。通过测试可以分辨电阻层中导电区域，并在纳米尺度上评估局域导电性。

       Tosca的导电AFM测量模式（C-AFM，Conductive AFM)是将AFM的导电针尖作为纳米级的电极，来测试分析微区的导电性。C-AFM基于的是标准接触模式，除了形貌像外，C-AFM还记录在施加+/-10V范围内的外部偏置电压时，针尖和样品之间的电流（见图1）。

图1: C-AFM测量过程示意图。C-AFM中设定恒定电压，记录流过的电流。

       C-AFM测得的结果与表面的局部导电性相关，测量的参数都经过严格校准，并获得定量数据。因此，通过使用电流信号，C-AFM可以提供纳米级的导电性分布信息。

图2: 2.5 x 2.5µm扫描，形貌(左)和电流图(右)。电流集中在离散的点上，与明显的表面结构无关。

       厚膜电阻器的测试是在大气中进行的，通过断口截面来测量厚膜电阻器的导电层。AFM数据由带有铂铱涂层的Arrow-EFM 硅AFM探针测得。悬臂梁的典型共振频率为75 kHz，弹性系数为2.8 N/ m。

       图2显示了2.5 x 2.5µm扫描的结果。在C-AFM 中，电流图像与形貌像同时获得。针尖与样品之间的电压为+7V。电流像显示的是500到1500nA之间的局部电流值。表面大部分是绝缘的，只有表面上的少数点传导电流。这可以通过电流成像的表面分析来进一步讨论。图3基于的是图2数据的结果，阈值被定义为0.017µA, 只分析电流值高于阈值的位置。在2.5x2.5µm扫描范围内，这些导电位置的总面积是0.054µm²。这意味着，实际上只有0.86%的面积是导电的，这个电阻的电流分布十分不均匀。换句话说，在该条件下，流过该电阻器的总电流集中在总横截面的1%以下的区域。

图3:对电流信号的分析表明,只有横截面的一小部分的对元器件的整体导电性有贡献。电流集中在不到1%的横截面积上。

       对于一些敏感样品，为了防止过高的电流密度对样品产生的破坏，可以采用Tosca的另一种方式的导电性测试方式: CCC-AFM（Current Control Conductive AFM），该方式可以有效控制测试过程中的电流大小。在 CCC-AFM中，电流被控制在选定的值上保持恒定，并记录在针尖和样品之间产生选定电流所需的电压，电压范围可设定在+/-10V之间。作为比较，用CCC-AFM中测量了相同的厚膜电阻器样品。电流设定点为500nA，允许电压范围为0 ~ + 6V。结果如图4所示。电流信号(图4，右)显示了恒定电流为 500nA的导电区域，而在绝缘位置上，它是0。电压信号(图4，左)在绝缘点的上限处饱和，而在导通区域则在 0 ~ + 6V之间。高电导率的区域，可以通过产生500nA 电流所需的电压较低这一特征来识别，反之亦然。因此，在图4中，电压图像提供了导电性局部分布的间接信息。

图4: CCC-AFM测量结果的电压分布(左)和电流分布(右)。电流的设定值是500nA，电压范围在0到+6V之间。产生电流设定值所需的不同电压水平与导电性的局部差异有关。

精彩预告

安东帕原子力显微镜Tosca系列将参加2020SEMICON China 2020

地址：上海新国际博览ZXE7628

时间：2020.06.27-29