Reverse tip sample scanning probe microscopy

Abstract

Elektroniikan komponenttien laskentateho kasvaa jatkuvasti samalla kun niiden koko pienenee. Kaikista kehittyneimpien transistorien koko on nykypäivänä jo alle kymmenen nanometrin. Näiden transistorien rakenne on rajoittunut kolmeen ulottuvuuteen, jonka takia kaksiulotteisia karakterisointimenetelmiä ei voida käyttää enää. Tämän takia olemassa olevat menetelmät on muokattu sopimaan kolmiulotteisiin mittauksiin. Varauksen kuljettajien konsentraation mittaamiseen käytetyssä SSRM -menetelmän tapauksessa tämä johti nanotomografiamenetelmään, jota yleisesti kutsutaan skalpelli SSRM:ksi. Skalpellimenetelmä hyödyntää SSRM-mittauksissa käytettävää timanttikärkeä, jolla vuorotellen poistetaan materiaalia ja tehdään sähköisiä mittauksia keräten informaatiota kolmessa ulottuvuudessa. Koska materiaalin poistaminen timanttikärjellä vaatii runsaasti voimaa, kärki kärsii tylsymisestä. Lisäksi poistettu materiaali kontaminoi kärjen. Tämä kärjen ominaisuuksien nopea huononeminen laskee sähköisen mittauksen erotuskykyä, koska samaa timanttikärkeä käytetään kummassakin vaiheessa. Kärjen huonontumisongelman ratkaisemiseksi tässä työssä esitellään uusi lähestymistapa, jota kutsutaan käänteiseksi kärkinäytepyyhkäisyanturimikroskopiaksi (RTS SPM).

Tämä työ sisältää kaksi osaa: RTS SPM -prototyyppianturien kehittämisen menetelmän toimivuuden todentamiseen sekä kärkianturien arvioinnin ja vertailun. Ensimmäinen osa sisältää erilaisten kärkirakennekonseptien suunnittelun ja valmistuksen kokonaisten piikiekkojen mittakaavassa. Toisessa osassa tehtiin SSRM- ja hipaisumoodi-mittauksia, joilla arvioitiin kärkiantureita. Skalpelli SSRM -mittaukset suoritettiin käänteisellä kärkinäytelähestymistavalla, jotta menetelmän suorityskykyä pystyttiin arvioimaan. Lisäksi skalpellimittauksen menettelytapaa parannettiin automatisoidulla leikkaa-ja-katso -toteutuksella.

Pystysuorilla hiilinanoputkinäytteillä tehdyt SSRM-mittaukset varmensivat, että RTS-lähestymistavan erottelukyky on sama kuin tavanomaisen lähestymistavan. Näissä mitattiin oksidin ja hiilinanoputken välisen siirtymäalueen leveyttä. Koska tavanomaista SSRM:ää käytetään rutiininomaisesti analysoimaan alle kymmenen nanometrin kokoisia komponenttien yksityiskohtia, RTS-lähestymistapa yltää korkeaan kolmiulotteiseen erotuskykyyn ja on sopiva karakterisoimaan kaikista kehittyneimpiä puolijohdekomponentteja. Lisäksi hipaisumoodimittaukset näyttivät kuinka laaja valikoima erilaisia SPM moodeja on saatavilla RTS-lähestymistavalle. Tavanomaisissa skalpellimittauksissa kärjen suorituskyvyn heikentymisestä johtuva erotuskyvyn huononeminen oli silmiinpistävää. Tätä samaa erotuskyvyn huononemista ei havaittu RTS-skalpellimittauksissa. Lisäksi RTS-skalpellimittausten automatisointi osoitti, kuinka RTS-lähestymistapaa on mahdollista rutiininomaisesti käyttää karakterisointiin.

Nowadays, the processing power of electronic devices is constantly rising while the device size keeps getting smaller and smaller. The downscaling of most advanced transistors features, such as gate length, reaches sub-10~nm today. These transistor structures are spatially confined in three-dimensions and therefore classical characterisation approaches based on two-dimensional measurements, such as scanning spreading resistance microscopy (SSRM), cannot be applied anymore. Therefore, the existing methods have been modified for three-dimensional measurements. In the case of SSRM this led to a nanotomography method commonly referred to as scalpel SSRM. The scalpel method utilises the diamond tip used for SSRM measurements to alternate between performing the tip-induced material removal and the electrical measurement to gather information in three dimensions. However, since the force required for tip-induced material removal is very high, the diamond tip suffers from rapid blunting. Furthermore, the removed material contaminates the tip. This rapid tip degradation reduces the resolution of the electrical measurement, because the same tip is used for both steps. Therefore, in this thesis work a novel approach called reverse tip sample (RTS) scanning probe microscopy (SPM) is presented to resolve the tip degradation problem.

This thesis work contains two parts: The first part deals with the development of RTS SPM prototype sensors for proof-of-concept measurements, and the second part with tip sensor evaluation and benchmarking. First part includes the design and fabrication of various tip structure concepts on wafer scale. In the second part SSRM and tapping mode measurements were conducted to evaluate tip sensors and scalpel SSRM was performed with the RTS approach to benchmark the method. In addition, the scalpel measurement procedure was improved towards an automated slice-and-view implementation.

SSRM measurements carried out on a vertical carbon nanotube (CNT) sample verified that the resolution of the RTS approach is comparable to the one of the conventional approach, by studying the transition zone width between the oxide and the CNT. Moreover, tapping mode measurements demonstrated the wide variety of SPM modes available for the RTS approach. RTS scalpel measurements did indicate a slower degradation in resolution. This was deduced by comparing the results to the conventional scalpel measurements, where tip degradation was conspicuous. Furthermore, the automation of the RTS scalpel measurements demonstrated a high potential for the RTS approach to be executed routinely in an automated manner.