探测样品表面的局部电子结构

为了促进半导体器件的开发，已经开发了诸如扩展电阻分布图（SRP）、二次离子质谱（SIMS）、扫描电容显微镜（SCM）等许多技术。目前，扫描扩展电阻显微镜（SSRM）作为研究半导体器件电特性的有前途的技术而备受关注。SSRM是一种基于扫描探针显微镜（SPM）的技术，其中涂有导电材料的探针扫描带有偏压的样品表面，并测量样品的电流、电导率和电阻等电学性质。通过使用对数放大器，它可以同时测量从绝缘体、半导体到金属的各种导电材料。在环境条件下，金属或半导体表面可能会被绝缘氧化物层覆盖。然而，为了准确研究样品的电阻，探针和样品之间的欧姆接触是必不可少的。在这里，SSRM是一种用于半导体二维载流子分布剖面的高效技术，因为它允许使用耐用的金刚石AFM探针在成像时剥离氧化物层，从而直接接触样品表面。SSRM通常需要较高的探针-样品接触力来切割样品表面的氧化层或污染层。此外，建议在真空状态或氮气气氛中测量样品，以防止在测量过程中样品表面重新氧化或吸附水分。

图1. (a) SRP 和 (b) SSRM 的示意图

此外，为了测量广泛的电阻范围，需要使用对数型电流放大器，因为线性电流放大器只能测量依赖于放大器增益的狭窄电流范围。然而，半导体器件结构通常由金属、半导体和氧化物层组成，这些不同材料的电阻范围从欧姆到吉欧姆不等。SSRM是一种在微观和纳米尺度上用于截面样品表面的成熟SRP方法的实现。通用的SRP是一种双探针技术，使用直径约1μm的大型探针，而SSRM使用直径仅为几十纳米的AFM探针，扫描小型器件区域。图1显示了SRP和SSRM的示意图。在SRP中，电阻是在倾斜表面上的两个大型探针之间测量的，而在SSRM中，电阻是在截面表面上的背接触和AFM探针之间测量的，以避免与倾斜相关的载流子溢出效应。在SSRM中，电阻是根据欧姆定律（R = V/I）计算的，空间分辨率取决于AFM探针顶点处的曲率半径。电阻的准确性取决于通过增加探针上的接触力来减小探针与样品之间的接触电阻。为了在探针和样品之间形成良好的欧姆接触，建议使用清洁的样品表面、环境控制和高接触力。在这方面，具有坚硬杠杆和刚性探针的AFM探针更受青睐。

图2. (a) 平行金属板之间的一般电流流动和 (b) AFM 探针与样品背接触之间的扩展电流流动的示意图。

图3. (a) 抛光机和横截面样品的示例。光学相机视图显示 (b) 抛光不足的表面和 (c) 抛光良好的表面。

如图2（a）所示，通常，电流会通过样品的整个区域流动。然而，当使用尖锐的AFM探针接触样品时，由于探针和样品之间的接触区域狭窄，SSRM可以测量探针针尖附近的局部电流分布（如图2（b）所示）。在理想情况下，扩展电阻RS = ρ/4a，其中ρ是局部样品电阻率，a是接触面积，用探针半径表示。在这里，粗糙的样品会改变AFM探针和表面之间的有效接触面积，使得准确测量电阻值变得困难。因此，抛光和随后的清洁有助于观察样品的准确掺杂分布。图3（a）展示了一个用于减少横截面样品粗糙度的抛光机，图3（b）和（c）分别展示了抛光不足和抛光充分的样品表面的光学图像示例。

图4. a) SSRM测量的示意图。探针扫描样品以去除绝缘表面氧化物层。(b) 高加载力（红色）和低加载力（绿色）下在氧化物层上测量的电阻的线轮廓比较。.

如上所述，探针和样品之间的欧姆接触也非常关键。氧化物层会增加接触电阻，形成肖特基势垒，这会阻止用户获得正确的电阻值。图4展示了探针如何在扫描样品的同时去除氧化物层，从而有效地减小接触电阻（图4（a））。图4（b）中的线轮廓展示了如何通过改变探针上的加载力来改变表面电阻。在图5中，使用SSRM和1.5 VDC样品偏压研究了IFX掺杂剂校准样品（由英飞凌制造的SSRM参考样品“NP20”）。该样品在硅基板上具有20种不同的掺杂状态，包括磷注入的n型区域和硼注入的p型区域。SSRM电阻图像（图5（a））和线轮廓（图5（b），下一页）使用对数电流放大器覆盖了整个电阻动态范围，以指示20种不同掺杂状态下的不同电阻。

图5. (a) SSRM电阻图像。(b) IFX掺杂剂校准样品（NP20）的线轮廓，该样品包含20个不同的n型和p型注入区域，采用1.5V_DC 样品偏压

图6. (c) 样品的掺杂类型和浓度。

图6（下一页）展示了可充电锂离子电池阴极表面的SSRM图像，这种电池广泛应用于笔记本电脑、手机、平板电脑和汽车等各个领域。锂离子电池样品应在高度控制的环境条件下处理，因为它们对湿度甚至氮气都非常敏感。为了防止对锂离子电池造成损害，该样品在NX-Hivac系统的真空条件下进行了测量。如图6（b）和（d）所示，可以清晰地观察到高导电材料、聚合物粘合剂和活性材料的电阻分布。