[发明专利]界面势垒测量装置及测量界面势垒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种逐层测量半导体界面势垒的方法。

背景技术

近年来，聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）技术是近二十年最新发展起来的具有微纳加工功能的新技术。它的精确定位、显微观测和微细加工功能使其在集成电路、半导体产业、纳米科技等领域的巨大应用前景而受到广泛的关注。离子束经过聚焦后，利用离子束的溅射功能，可以对从纳米到微米量级的大尺度范围材料和器件进行图形化剥离或者整体切削，还可利用离子束的能量激发化学反应来沉积金属材料(如：Pt、W、Si等)和非金属材料(如Si、SiO2等)。此外，利用聚焦离子束的精确定位和控制能力，可以不用掩模版，直接在半导体材料和器件上特定的点或者区域进行离子注入，并能精确控制注入的深度和广度。与传统的掩模注入法相比，大大节约成本，还可节省加工时间。

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy，SPM），是可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。

随着半导体工业和纳米技术的发展，构成器件的结构尺寸越来越小，而构成器件的各种材料间的同质或异质界面的电学性质越发成为影响器件性能的关键。而当半导体同质或异质界面形成后，在接触界面附近将形成一个空间电荷区，由于其内部载流子浓度远低于中性区的载流子浓度，因此在空间电荷区存在着一个内建电场。这个内建电场所产生的电势差就是界面势垒。界面势垒作为表征半导体器件电学性能的主要参数之一，其与半导体的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度等密切相关，一直以来都是学术界和产业界的重要关注点。界面势垒测量的常用方法是通过测量反偏结的电容-电压(C-V)关系,从而推得界面势垒值。但该法仅能测量只存在一个界面的情形，而目前常见的电子器件和光电器件，大多为多层结构，其各界面间的势垒均无法准确测量，只能大致估计。但是对于多层半导体结构的界面势垒，采用上述技术没有很好的方法处理多层结构的界面势垒测量。

针对多层半导体结构的界面势垒难以测量的技术难点，本发明采用扫描探针显微镜技术，结合聚焦离子束既能剥离样品表面又能在给定区域诱导沉积电极的特点，可将材料表面逐层剥离，并逐层测量界面势垒，实现对多层结构半导体器件电学性质的探测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供多层半导体材料界面势垒测量装置及测量多层半导体界面势垒方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多层半导体材料界面势垒的测量装置，所述测量装置包括一真空腔、一导电样品台、一扫描探针显微镜、一金属气源产生装置和一聚焦离子束显微镜系统；所述导电样品台、扫描探针显微镜、金属气源产生装置和聚焦离子束显微镜系统置于所述真空腔体内；所述聚集离子束显微镜系统包括一离子束产生装置；所述离子束产生装置产生离子束用于剥离半导体材料；所述金属气源产生装置产生金属气源，用于配合所述离子束产生装置产生的离子束实施沉积金属电极；所述扫描探针显微镜包括第一导电扫描探针与第二导电扫描探针，所述两导电扫描探针用于和半导体材料表面接触并测量导电扫描探针和半导体材料表面之间的接触电势差。

所述扫描探针显微镜还包括一第一电流放大器、一第二电流放大器和一直流电源，所述第一、第二电流放大器用于测量电流；所述直流电源的负极端与第一电流放大器的第一端相连，所述第一电流放大器的第二端与第二电流放大器的第一端相连，所述第二电流放大器的第二端与导电样品台电学相连，所述第一导电扫描探针与直流电压的正极相连，所述第二导电扫描探针与第一电流放大器的第二端相连。

所述聚集离子束显微镜系统还包括一电子束产生装置，产生电子束用于对半导体材料表面扫描成像，选定需要剥离的区域。

所述第二离子束是镓离子束和氦离子束中的任一种。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种利用如上述多层半导体材料界面势垒的测量装置的测量多层半导体界面势垒方法，包括步骤：

a) 将一具有多层结构的半导体样品置于导电样品台上；

b) 利用离子束剥离掉所述半导体样品的第一层的一区域，至显露出第二层的表面；