总结

通过实施QuickStep扫描，扫描电容显微镜（SCM）的测量吞吐量得到了显著提高，速度可以达到标准SCM扫描速度的十倍之多，同时保持信号灵敏度、空间分辨率或数据准确性。在QuickStep扫描中，XY扫描器在每个像素点停止以记录数据，并在像素点之间快速跳转。  

 

介绍

扫描电容显微镜（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）用于成像电容的空间变化。SCM最常见的应用之一是在非均匀掺杂样品上绘制载流子浓度的分布图。

在半导体制造中，表征掺杂分布的能力对于识别故障原因以及进行设计改进至关重要。

对于器件表征，SCM提供了个性化测量定量二维掺杂分布图的能力。

 

SCM的结构

SCM由一个导电金属探针针尖和一个高灵敏度电容传感器组成，此外还有标准的原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）组件。像静电力显微镜（Electrostatic Force Microscopy, EFM）一样，SCM在探针针尖和样品之间施加电压，类似于金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor, MOS）结构。

图1. SCM探针针尖和半导体样品之间形成了MOS电容器。

 

总电容由氧化层厚度和耗尽层厚度决定，耗尽层厚度取决于硅衬底中的载流子浓度以及探针针尖和半导体之间施加的直流电压。施加的交流偏压电压在固定直流偏压下产生电容变化。当探针针尖在具有不同载流子浓度的区域移动时，SCM检测在固定直流和交流偏压电压下的差分电容（dC/dV）。

图2. 半导体上绝缘层中捕获的正电荷和负电荷会导致高频C-V和dC/dV曲线沿电压轴发生平行偏移。

 

传统SCM与QuickStep SCM

为了改善信噪比，传统SCM扫描速度慢，以便给探测器足够的时间来收集数据。QuickStep扫描不同于传统的慢速连续移动方法。在这里，XY扫描器在每个像素点停止以记录数据，然后快速跳到下一个测量点。这有效地提高了扫描速度，同时保持了传统SCM在慢速扫描下相同的信号灵敏度。

图3在 QuickStep 扫描中，XY 扫描仪在每个像素点停下来记录数据，然后快速跳到下一个测量点。这有效地提高了扫描速度，同时保持了与传统 SCM 在慢扫描速度下相同的信号灵敏度。

 

传统SCM在扫描速度增加时开始失去信号完整性，这表现为前向和后向扫描信号之间的发散。然而，QuickStep SCM即使在扫描速度达到传统SCM的5~10倍时，也能保持与传统SCM慢速移动时相同的信号灵敏度。

图4. 高通量的QuickStep扫描比传统SCM扫描快十倍，同时保持了信号灵敏度、空间分辨率或数据准确性。

 

此外，Park SCM通过选择射频（RF）频率来优化行业中的信噪比，该频率与样品的掺杂范围相匹配，覆盖从600MHz到2000MHz的广泛RF频段。通过获取共振曲线，可以选择较大斜率处的操作频率，从而优化SCM探针的分辨率和灵敏度。

图5. (a) 针尖-样品电容的变化。(b) Park SCM（红色）与传统SCM（蓝色）之间的操作频率RF频段比较。绘制了不同材料的共振曲线作为参考。

 

图5a展示了针尖-样品电容随频率变化的典型曲线，而图5b则比较了Park SCM和传统SCM在不同频率下的性能。通过选择共振曲线中斜率最大的频率作为操作频率，Park SCM能够有效提高测量结果的分辨率和灵敏度。

图6. 通过Park SCM成像的n型掺杂硅样品具有不同掺杂浓度的区域。小于一个数量级的掺杂浓度差异可以清晰地区分。

 

结论：Park NX AFM系列QuickStep SCM的结果

简而言之，QuickStep SCM比传统SCM快几倍，同时不牺牲测量精度。它有助于识别故障分析的原因，促进半导体设计的创新，并检测小于一个数量级的掺杂浓度差异。