Material characterization and dopant profiling in scanning microwave microscopy

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich eingehend mit einer neuen mikroskopischen Methode, der sogenannten 'Scanning Microwave Microscopy' (SMM).<br />Im Wesentlichen besteht dieses Nahfeldmikroskop aus einem Atomkraftmikroskop (AFM), dessen leitfähige Messspitze mit einem Mikrowellennetzwerkanalysator (PNA) verbunden ist. Das vom PNA generierte Mikrowellensignal wird über die Spitze zur Probe gesandt und wechselwirkt mit jener. Gemessen werden Unterschiede zwischen emittiertem und reflektiertem Signal- wie etwa eine durch die Probe induzierte Amplitudenänderung oder Phasenverschiebung der Mikrowellen.<br />Bislang gibt es Studien- die zeigen, dass die SMM Messergebnisse kalibriert werden können um die Kapazität zwischen AFM Spitze und Probe quantitativ zu messen. Huber et al. erreichte in Kapazitätsmessungen an Si- Halbleiterstrukturen eine relative Messgenauigkeit bei Verwendung des PNA Amplitudensignals von 20%. In dieser Arbeit wird zunächst ein einfaches analytisches LCR Modell entwickelt, welches das Mikrowellenmikroskop hinsichtlich der gemessenen Amplituden- und Pasensignale beschreibt. Einflüsse verschiedener experimenteller Parameter, wie die der Messfrequenz, der Spitzenspannung, des Spitzenradius, der Oxiddicke und der Probendotierung auf das PNA Signal werden detailliert erläutert. Um auch neuesten experimentellen Beobachtungen Rechnung zu tragen, wurde das analytische Model dahingehend erweitert, so dass das beobachtete nicht- monotone Verhalten der Dotierkalibrationskurven simuliert werden konnte. Dies wird durch Hinzufügen eines seriellen dotierungsabhängigen Punktwiderstandes erzielt. Überlegungen zur Reduzierungen des nicht- lineraren Kontrastes führten zur Erkenntnis, dass durch den Übergang zu niedrigeren Messfrequenzen sowie der Minimierung der Spitzen- Probenkontaktfläche ein nicht - linearer Kontrast vermieden werden kann.<br />Dies wurde neben der Simulation auch durch Experimente verifiziert.<br />Desweiteren ist bekannt, dass sich die für SMM Messungen bislang zur Verfügung stehenden Spitzen bei der Messung stark abnützen. Um die Auswirkung derartiger Spitzengeometrieeffekte auf die Dotierkalibrationskurven eingehender zu untersuchen wurde zusätzlich zum LCR Modell eine Simulation mit einem zweidimensionalen Poisson Solver herangezogen. Dabei ergab sich ein starker Zusammenhang zwischen der Steigung der Kalibrationskurven und dem Spitzendurchmesser. Die experimentell ermittelten Kalibrationskurven bestätigen wiederum die Simulationsergebnisse.<br />Im zweiten Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich diese Arbeit mit der Bestimmung dielelektrischer Materialeigenschaften mittels SMM und der alt bekannten 'Scanning Capacitance Microscopy' (SCM). Dabei wurde die Dielektrizitätskonstante neuartiger kolloidider Nanokristalle ermittelt.<br />Besonders diese Anwendung zeigt die Überlegenheit der SMM im Vergleich zur SCM. Rückschlüsse und Vergleiche der beiden AFM Methoden werden immer dann, wenn es sinnvoll erscheint, aufgegriffen und erläutert. Des Weiteren wurden die Auswirkungen frequenzabhängiger Dielektrika mit dem LCR Modell simuliert und die spektroskopopischen Möglichkeiten eines Mikrowellenmikroskops für Impedanzen erforscht. Diese Dissertation schließt mit einer kurzen Zusammenfassung aller Ergebnisse sowie weiterführenden Ideen als auch Verbesserungsmöglichkeiten rund um dieses neue Mikrowellenmikroskop, dessen vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten bei Weitem noch nicht ausgeschöpft sind.

In this thesis, we explore the possibilities and horizons of scanning mircowave microscopy (SMM), a scanning probe method, which can be used to measure dopant densities of metal oxide semiconductor (MOS) systems as well as to determine dielectric material properties with a nanometer scale resolution. The scanning microwave microscope used in this work is a new type of near-field microscope which operates between 1 and 20 GHz. It mainly consists of an atomic force microscope (AFM) with a conductive tip interfaced with a microwave performance network analyzer (PNA). A microwave signal is sent to the tip and the characteristics of the ratio between incident and reflected wave properties- like amplitude changes or phase shifts- are measured. It has been shown that the scanning microwave microscope can be calibrated to yield quantitative measurements of the capacitance of the tip sample junctions. Huber et al. demonstrated on silicon semiconductor samples that the resolution of dopant profiling using the PNA amplitude signal is determined to 20%. In this work, we use an equivalent LCR circuit model of the SMM system.<br />We employ it for analyzing both the PNA amplitude as well as the PNA phase signal behavior on metal oxide semiconductor structures. The influence of various experimental parameters, such as the operation frequency, tip bias, tip radius, oxide thickness and sample doping is discussed in detail. Moreover, the analytical model is modified to accomplish for a non-monotonic behavior of dopant calibration curves observed in SMM experiments. A similar behavior can be found by virtually adding a dopant dependent series resistance to the sample system. It turns out, that such resistances are problematic since they lead to non-monotonic contrast. Suggestions for reducing this effect by applying lower operation frequencies and/or diminishing the tip-sample contact area are presented and verified through simulations and experiments.<br />As it is known, that the cantilevers used in SMM experiments are very likely to erode during measurements, we employed a two dimensional Poisson solver simulation program in addition to the simple LCR circuit model to investigate the impact of the AFM tip radius on dopant profiling. A strong correlation between the slope of the calibration curves and the tip diameter is found. Besides dopant profiling, we investigated dielectric material characterization with SMM and scanning capacitance microscopy (SCM). At first, the dielectric constants of colloidal nanocrystals were determined. Here the superiority of SMM to SCM clearly comes out. Note that in this text, both AFM setups are compared whenever reasonable. Furthermore, the phase and amplitude behavior on a material system with a frequency dependent dielectric constant is simulated and the possibilities of complex impedance spectroscopy are explored.<br />Finally, in the last chapter of this thesis we close by summing up our results and giving an outlook on improvements and opportunities of this new near-field microscope.<br />