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Doctoral Thesis

Methods to measure and modify electrical properties on ananometer scale and their applications in science and technology

Author(s): Jacobs, Heinrich Otto Heiko

Publication Date: 1999

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-002049756

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ETH Library

DlSS. ETH No. 13016

Methods to Measureand ModifyElectrical Propertieson a Manometer

Scaleand their Applicationsin ScienceandTechnology

Dissertationsubmitted to theSWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGY

ZÜRICH

for the degreeofDoctor of Technical Sciences

presented byHeinrichOtto Heiko Jacobs

Dipl. EJL-Ing.born February20th, 1970

Citizen of Germany

accepfed on recommendationofProf. Dr. Andreas Stemmer, examiner

Prof. Dr. WernerBächtold, co-examiner

Zürich, 1999

Abstract

With the advent of the scannitig tunneling microsc-ope the field of nanoscienceand nanotechnology has rapidly growii and many neu fascinating scanningprobe related teehniqties to anaiyze, interact, and modify objects in thenano-world have been developed. Today scanning probe related teehniqties havefound mimerous applications in science and tec-hnology. Tu semiconduetor andchemical iudustry scanningtunneling microscopy and atomic force microscopyfor metrologyhave moved into the manufacturingliiies.

However, the detection of electrica! propertiesof small scale fmictional devicesis still a rather underdeveloped area of research. Nevertheless, new techniquesare of great demandwithin the development ofnew mic.ro» and nano-tec.hno.logi-cal produets, where to link the spec-imeifsobservedfunction with its local struc¬

ture and composition is a key issue. Therefore, this thesis concentrates on the

development,unprovement, and characterization of scanningprobe based tech¬

niques to detect and modify electrical propertieson the nanometer scale.

In the beginningof this work the most recent developiiients in this field are intro¬duced and several different techniques are comparedwith each other. It turns outthat the combination of atomic force microscopy and Kelvin probe technologyprovides apowerful new analytical tool for semiconduetordevice desigti as well

as failure analysis, sincejunctions between different materials, locatiousof elec-tric shortcuts, and the distribution ofthe electric field intensity can all be deter¬mined. In principle the mstraineiit moves a eonductingmicrofabricated tip at a

defined distance above the sample surface. Due to the electrostatic force actingon the tip, local variations of the electric potential distribution on the sample can

be detected. The realized set-up uses a new fin.e-tun.ing procedurewhich allowsthe detection of the electric surface potential distribution at high spatial resolu¬tion (< 100 nm) and high potential sensitivity (< 1 mV). With. this experimentalset-up il is demonstratedthat the measuredsurface potential provides a clear ma¬terial contrast on compositemetals and heterostructures. The nature of this mate¬

rial contrast is explained by the electric contact potential formed by electrondiffusion between materials Interfaces, Since used tips are not point-like struc¬

tures a new model is establishedto correlate the measured quantities with thetrue surface potential distribution which is finaily compared with experimentaldata from test structures.For the first time, the electrostatic surface potential andthe topography data which are both recordedby the Instrument aree used to de-rive the local electrostatic field strength on active transistors.Using this new ap-proach it becom.es possible to localize regions of maximum field intensity on

externalbiased integratedcircuits, which is an important lssue for failure analy¬sis.

In the last part of this thesis, the set-up is not only used as an observing Instru¬

ment, but also for the generation of trapped surface charges on the sample. Theeffect of local surface charges on the surface potential distribution is derived and

complex charge patterns with a bi.t size down to 180 nm are generated. Trappedsurface charges have applicationsfor high density data storage and might be an

interesting candidate for the promotion and localization of JOuture self-assemblyprocesses.

Kurzfassung

Das Analysieren, Kontrollieren und Verändern von Objekten auf der Manome¬ter-Skalaist das Ziel der Nanowissenschaften,welche sich seit der ErfindungdesRastertunnehnikroskops schnell entwickelt haben. Bei dieser Entwicklungspielten auf Rastersondenbasierende Methoden stets eine Schlüsselrolle. Bereitsheute werden Rasterkraftmikroskopezur Bestimmung von topographischenundmechanischen Eigenschaften in Chemie- und Halbleiterüidustrie weltweit eing¬esetzt.

Trotz der Vielfältigkeit an neuen Messtechniken fehlt es an zuverlässigen Ver¬fahren zum Erfassen von elektrischenEigenschaften, obwohl solche speziell beider Entwicklung von neuen lnikro- und nanotechnologischenProdukten notwen¬dig sind. Aus diesem Grund konzentriertsich die vorhegende Arbeit auf die En¬

twicklung, Verbesserung und Charakterisierung von Methoden mit dem Ziel,elektrische Eigenschaften im Nanometer-Bereich zu erfassen und modifizieren.

Zunächst werden die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebietvorgestellt undverschiedene Messtechniken miteinander verglichen. Dabei stellt sich heraus,dass das Rasterkraftmikroskopm Verbindung mit einer Kelvin Sonde eine neuar¬

tige Analysemethodebietet, welche es erlaubt, Materialiibergänge,elektrischePotential- und Feldstärkeverteihingen von leitfähigen und isolierenden Ober-

flächen mit einer hohen örtlichen Auflösung zu bestimmen. Bei dem verwende¬ten Prinzip wird eine mikrofab.rizi.erte elektrisch leitende Spitze nah über dieOberfläche geführt, wobei die elektrostatische Kraftwechselwirkung zwischen

Spitze und Unterlage gemessenwird. Die delektierte Kraft ist dabei eine Funk¬tion des elektrischenOberflächenpotentials.Der realisierte Aufbauverwendet eine neuartige Prozedur, welche es erlaubt, dasOberflächenpotential mit einer hohen Sensitivität (< 1 mV) und einer hohenörtlichen Auflösung ('< 100 nm) zu bestimmen. Mit dem experimentellen Aufbauwurde gezeigt, dass das gemessene Oberflächenpotential einen klaren Materi¬alkontrast liefert,mit welchem man unterschiedlichdotierte Halbleiteroder Met-

allübergänge detektieren kann. Anschliessend wird ein neuartiges Modell

vorgestellt, welches die gemessene Potentialverteilung mit der wirklichenverbindet. Es stellt sich heraus, dass für flache Oberflächen das gemessenePo¬tential mit dem wirklichen Oberflächenpotential über eine zweidimensionale

Faltungverknüpft ist. Die Transferfimktion ist dabei durch die Spitzengeometriedefiniert. Durch diesen neuen Ansatz wird es möglich, kritische Bereiche vonaktiven Halbleiterschaltungen und Bauelementen zu untersuchen. Es wird

gezeigt, dass sich durch die Verbindung der gemessenenTopographie mit dem

Oberflächenpotential die elektrische Feldstärkeverteilungentlang der Oberflächei

von aktiven Transitstorstrukturen bestimmenlässt.

Im letzten Abschnitt der Arbeit wird das Gerät nicht nur zu Analyse verwendet,sondern mich um immobile Oberflächenladungenzu generieren. Der Einflussdieser Ladungen auf das Oberflächenpotential wird hergeleitet. AnschliessendwerdenLadungsmustcrmit Bit-Grössenvon weniger als 180 nm generiert. DieseOberflächenladungen gelten als vielversprechende Kandidaten für neuartigeMassenspeicher. Desweiteren ist es denkbar, dass sie zur Lokalisierimg von

Self-Assembly-Prozessenverwendet werdenkönnen.