[发明专利]采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料测试技术领域，尤其涉及一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法。

背景技术

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异质界面的电学性质越发成为影响器件性能的关键。这对测试分析方法和装置也提出了更高的要求。自1982年扫描隧道显微镜发明以来，它及相应的扫描隧道谱技术逐渐成为纳米尺度上研究样品局域电学性质的有效手段，近年来得到迅速发展。而在此基础上发展起来的弹道电子发射显微术(Ballistic Electron Emission Microscopy，BEEM)逐渐成为研究近表面的异质界面的有效手段。

附图1所示是采用扫描隧道显微镜测量样品界面势垒装置的基本结构，包括探针10、电源13、第一电流计11、第二电流计12以及样品19，样品19进一步包括衬底191和表面的薄膜层192。电源13探针10和样品19相互串联组成了第一电学回路，第一电流计11用于测量此回路中的电流；衬底191接地，并和表面的薄膜层192组成第二电学回路，第二电流计12用于测量此回路中的电流，该电流来自于探针13发射的弹道输运到衬底191和薄膜层192中的热电子。

具体地说，与电源13连接的探针10在针尖和样品19间的偏压V_Tip的作用下，热电子从探针10的金属针尖注入到样品表面形成隧道电流I_Tip。这些热电子在样品19的薄膜层192的最表面一层中，大部分通过碰撞和散射，沿着薄膜层192平面传播并被收集，形成主要的微区电流，第一电流计11用于测量此电流，通常是纳安培量程的。此外还有一小部分电子，在薄膜层192中没有经过任何碰撞散射而弹道输运到薄膜层192和衬底191的界面，如果具有足够高的能量，就有可能越过界面势垒进入衬底191，被连接在衬底191上的另一个电极接收，这部分电流就称为弹道发射电流I_BEEM，第二电流计12用于测量此电流，通常是皮安培量程的。而反之，如果这部分电子的能量低而不足以克服界面势垒时，在衬底就无法形成弹道电流。根据实验结果对界面势垒更加精确的估算可从下面公式中拟合出：

因此，在BEEM中，通过针尖样品间偏压与弹道电流关系的测量，可在扫描样品形貌像的同时，获得隐埋在表面以下的界面的势垒高度等性质。

然而，上述弹道电子发射显微方法的局限性在于既使用针尖样品间的隧道电流作为针尖样品间距离调控的手段，同时又使用这个电流作为分析表面和界面电学性质的手段。这使得：第一，它只能适用用于表面处处都导电的样品，而当样品表面具有纳米结构，在同一偏压下部分区域导电性好、部分区域导电性差的样品，它无法在样品表面稳定地成形貌像和探测分析局域电学性质。第二，它在采集针尖样品间电流-电压特性的时候，必然要切断通过探测针尖样品间隧道电流来控制针尖样品间距离恒定的反馈回路，从而对整个测量装置的机械稳定性提出了极高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法，能够克服现有技术中的上述诸多缺陷。

为了解决上述问题，本发明提供了一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置，包括导电原子力探针、电源、探针控制器、第一电流计、第二电流计、样品台以及样品；样品置于样品台上，样品内部包括一界面；电源、导电原子力探针和样品相互串联组成了第一电学回路，第一电流计测量此第一电学回路中的电流；样品下表面和样品上表面通过外接导线组成第二电学回路，第二电流计用于测量此第二电学回路中的电流，探针控制器与导电原子力探针以及样品连接，用于捕捉导电原子力探针与样品之间的力学信号。

作为可选的技术方案，样品进一步包括衬底和薄膜层，所述样品中的界面为衬底和薄膜层的界面。

一种采用上述装置测量原子力显微镜测量样品界面势垒的方法，包括如下步骤：将样品固定于原子力显微镜的样品台上；从样品表面的薄膜层和衬底分别引出导电引线，这两个引线分别连接到第一电流计和第二电流计；采用探针控制器控制导电原子力显微镜的导电原子力探针以接触模式工作；在导电原子力探针的针尖和样品间加直流电压，第一电流计和第二电流计分别记录样品上表面和下表面电流信号；改变直流电压的大小和方向，记录针尖附近局域的电流-电压谱线，以其中弹道发射电流I_BEEM与直流电压的关系拟合出该点的界面势垒；通过在表面移动探针针尖，逐点进行上述测量，来表征界面势垒在在空间上的分布。