電子工業(yè)的數(shù)字化和微型化是近年來的重要發(fā)展趨勢(shì)，也是微電子元器件創(chuàng)新的主要?jiǎng)恿χ?。因此，在微納米尺度對(duì)元器件和材料的電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量,也成為了元器件研究、工藝、以及失效分析的重要手段。例如: 介電層在納米范圍內(nèi)的厚度偏差會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)擊穿的薄弱點(diǎn)，從而降低整個(gè)薄膜的可靠性；器件內(nèi)單個(gè)微結(jié)構(gòu)異常的“電流-電壓”響應(yīng)關(guān)系往往是器件失效的原因等等。

       安東帕Tosca系列原子力顯微鏡（AFM）以其優(yōu)異的探測(cè)性能和簡捷高時(shí)效的操作流程，受到廣大用戶的青睞，成為顯微結(jié)構(gòu)和物性分析的強(qiáng)大工具。Tosca在納米級(jí)的三維成像及尺寸測(cè)量、粗糙度分析、微區(qū)組分分布信息探測(cè)、微區(qū)力學(xué)性質(zhì)測(cè)試、納米尺度電學(xué)特性測(cè)試、以及高分辨磁學(xué)分布特性分析等領(lǐng)域，都有著出色的表現(xiàn)。

       下面，我們介紹的是Tosca系列AFM的電學(xué)測(cè)試功能中的電流分析模式。測(cè)試以厚膜電阻器為例。厚膜電阻器Z常見的電阻器類型之一，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)絕緣的陶瓷基材料與沉積在上面的電阻層，電阻層可達(dá)100μm。通過測(cè)試可以分辨電阻層中導(dǎo)電區(qū)域，并在納米尺度上評(píng)估局域?qū)щ娦浴?/p>

       Tosca的導(dǎo)電AFM測(cè)量模式（C-AFM，Conductive AFM)是將AFM的導(dǎo)電針尖作為納米級(jí)的電極，來測(cè)試分析微區(qū)的導(dǎo)電性。C-AFM基于的是標(biāo)準(zhǔn)接觸模式，除了形貌像外，C-AFM還記錄在施加+/-10V范圍內(nèi)的外部偏置電壓時(shí)，針尖和樣品之間的電流（見圖1）。

圖1: C-AFM測(cè)量過程示意圖。C-AFM中設(shè)定恒定電壓，記錄流過的電流。

       C-AFM測(cè)得的結(jié)果與表面的局部導(dǎo)電性相關(guān)，測(cè)量的參數(shù)都經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)，并獲得定量數(shù)據(jù)。因此，通過使用電流信號(hào)，C-AFM可以提供納米級(jí)的導(dǎo)電性分布信息。

圖2: 2.5 x 2.5μm掃描，形貌(左)和電流圖(右)。電流集中在離散的點(diǎn)上，與明顯的表面結(jié)構(gòu)無關(guān)。

       厚膜電阻器的測(cè)試是在大氣中進(jìn)行的，通過斷口截面來測(cè)量厚膜電阻器的導(dǎo)電層。AFM數(shù)據(jù)由帶有鉑銥涂層的Arrow-EFM 硅AFM探針測(cè)得。懸臂梁的典型共振頻率為75 kHz，彈性系數(shù)為2.8 N/ m。

       圖2顯示了2.5 x 2.5μm掃描的結(jié)果。在C-AFM 中，電流圖像與形貌像同時(shí)獲得。針尖與樣品之間的電壓為+7V。電流像顯示的是500到1500nA之間的局部電流值。表面大部分是絕緣的，只有表面上的少數(shù)點(diǎn)傳導(dǎo)電流。這可以通過電流成像的表面分析來進(jìn)一步討論。圖3基于的是圖2數(shù)據(jù)的結(jié)果，閾值被定義為0.017μA, 只分析電流值高于閾值的位置。在2.5x2.5μm掃描范圍內(nèi)，這些導(dǎo)電位置的總面積是0.054μm²。這意味著，實(shí)際上只有0.86%的面積是導(dǎo)電的，這個(gè)電阻的電流分布十分不均勻。換句話說，在該條件下，流過該電阻器的總電流集中在總橫截面的1%以下的區(qū)域。

圖3:對(duì)電流信號(hào)的分析表明,只有橫截面的一小部分的對(duì)元器件的整體導(dǎo)電性有貢獻(xiàn)。電流集中在不到1%的橫截面積上。

       對(duì)于一些敏感樣品，為了防止過高的電流密度對(duì)樣品產(chǎn)生的破壞，可以采用Tosca的另一種方式的導(dǎo)電性測(cè)試方式: CCC-AFM（Current Control Conductive AFM），該方式可以有效控制測(cè)試過程中的電流大小。在 CCC-AFM中，電流被控制在選定的值上保持恒定，并記錄在針尖和樣品之間產(chǎn)生選定電流所需的電壓，電壓范圍可設(shè)定在+/-10V之間。作為比較，用CCC-AFM中測(cè)量了相同的厚膜電阻器樣品。電流設(shè)定點(diǎn)為500nA，允許電壓范圍為0 ~ + 6V。結(jié)果如圖4所示。電流信號(hào)(圖4，右)顯示了恒定電流為 500nA的導(dǎo)電區(qū)域，而在絕緣位置上，它是0。電壓信號(hào)(圖4，左)在絕緣點(diǎn)的上限處飽和，而在導(dǎo)通區(qū)域則在 0 ~ + 6V之間。高電導(dǎo)率的區(qū)域，可以通過產(chǎn)生500nA 電流所需的電壓較低這一特征來識(shí)別，反之亦然。因此，在圖4中，電壓圖像提供了導(dǎo)電性局部分布的間接信息。

圖4: CCC-AFM測(cè)量結(jié)果的電壓分布(左)和電流分布(右)。電流的設(shè)定值是500nA，電壓范圍在0到+6V之間。產(chǎn)生電流設(shè)定值所需的不同電壓水平與導(dǎo)電性的局部差異有關(guān)。

精彩預(yù)告

安東帕原子力顯微鏡Tosca系列將參加2020SEMICON China 2020

地址：上海新國際博覽ZXE7628

時(shí)間：2020.06.27-29