2026_ВКРБ_Сверчкова А.М

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Мытищинский филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования
«Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
(национальный исследовательский университет)»
(МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана)
«Исследование локальных электрических характеристик
наноструктурных полупроводниковых приборов методом
сканирующей зондовой микроскопии с целью
оптимизации технологии изготовления»
Студент группы К2-81Б
А.М. Сверчкова
Руководитель ВКР
Е. Г. Комаров

2.

Целью данной работы является проведение подробного исследования локальных электрических характеристик
наноструктурных полупроводниковых приборов с применением сканирующей зондовой микроскопии, а также разработка
рекомендаций по оптимизации технологии изготовления на основе полученных результатов.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
1.
Изучить современные типы наноструктурных полупроводниковых приборов, их функциональные особенности и роль
микроструктурных дефектов в формировании локальных электрических свойств.
2.
Провести обзор методов локального электрического зондирования, с акцентом на принципы, возможности и ограничения
СКЗМ.
3.
Разработать методику проведения измерений, обеспечивающую достоверность и воспроизводимость данных.
4.
Выполнить экспериментальные исследования локальных характеристик образцов полупроводниковых приборов при различных
технологических условиях.
5.
Проанализировать взаимосвязь между технологическими параметрами и обнаруженными локальными дефектами.
6.
Сформулировать рекомендации по корректировке технологического процесса с целью повышения качества приборов.
7.
Оценить возможности внедрения и использования СКЗМ в качестве регулярного инструмента контроля качества на
производстве.
2

3. Блок-схема общего технологического цикла исследования и оптимизации

Необходимо провести анализ
процесса изготовления
наноструктурных полупроводниковых
приборов с целью оптимизации
технологии производства
Разработка регламента проведения
испытаний наноструктурных
полупроводниковых приборов
Блок-схема общего
технологического цикла
исследования и оптимизации
Подготовка и проведение испытаний
наноструктурных полупроводниковых
приборов методом СЗМ
Анализ и контроль параметров и
локальных
электрических характеристик
Определение возможных дефектов
Да
Анализ причин возникновения
дефектов
Дефекты
подтверждены?
Да
Нет
Цикл
первичный?
Нет
Корректировка технологического
процесса
Подтверждение качества
(проверка соответствия
установленным требованиям и
характеристикам)
Запуск повторного цикла
испытания
Подготовка отчета по результатам
испытаний и рекомендаций по
оптимизации технологий
изготовления
Конец
3

4. Объект исследований

Характеристики MOSFET-транзистора IRLML6344
ТИП ПРИБОРА
МАТЕРИАЛ
ТИП СТРУКТУРЫ
НАПРЯЖЕНИЕ СТОК-ИСТОК
МАКСИМАЛЬНЫЙ ТОК
ТОЛЩИНА ОКСИДНОГО
СЛОЯ
n-канальный MOSFET
кремний (Si)
металл-оксид-полупроводник
до 30В
до 5А
порядка нескольких нанометров
Предельно допустимые значения параметров электрических режимов
Рисунок 1. MOSFET-транзистор IRLML6344
Параметр
Напряжение стокисток
Напряжение
затвор-исток
Ток стока
Рассеиваемая
мощность
Температура
перехода
Обозначение
VDS(max)
Значение
30 В
Условия
Постоянное
VGS(max)
±20 В
Постоянное
ID(max)
PD
до 5 А
~1,3 Вт
Tj
до 150°C
T = 25°C
Номинальный
режим
Рабочий диапазон
4

5. Перечень контрольно-измерительных средств и испытательного оборудования

ОБОРУДОВАНИЕ
МОДЕЛЬ
Сканирующий зондовый
микроскоп
NT-MDT NTEGRA Prima
Проводящие зонды
NSG10/Pt (платиновое
покрытие)
Источник измерительного
напряжения
Keithley 2400
Измерительный компьютер
Компьютер с установленным
программным обеспечением:
NOVA / SPM Control Software
ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
NT-MDT Spectrum
Instruments (Россия)
пространственное разрешение —
до 1нм
диапазон сканирования — до 100
× 100мкм
режимы работы — AFM, KPFM,
C-AFM
точность позиционирования — до
0.1 нм
радиус кривизны — 10–20 нм
длина кантилевера — 125 мкм
резонансная частота — около 200
кГц
проводящее покрытие — Pt
Диапазон измерения тока —
до 10⁻¹²А.
SourceMeter
КОММЕНТАРИЙ
Данный прибор широко
применяется в научных
исследованиях для анализа
наноструктурных материалов и
микроэлектронных приборов.
Для проведения измерений
используются проводящие
кантилеверы.
Используется для:
подачи напряжения на
образец
измерения токов утечки
регистрации вольт-амперных
характеристик.
Функции:
управление микроскопом
сбор данных
обработка изображений
построение карт потенциала
и проводимости.
5

6.

Блок-схема методики проведения
испытаний
Блок-схема технического
алгоритма проведения испытаний
Подготовка образца
(очистка поверхности,
монтаж на держатель)
Настройка
оборудования
СЗМ
(AFM, KPFM, C-AFM)
Измерение
топографии
поверхности
Измерение
локального
потенциала
(KPFM)
Измерение локальной
проводимости
(C-AFM)
Температурные
испытания
Снятие локальных ВАХ
Измерение токов
утечки
Обработка
результатов
Сравнение
«норма — дефект»
Определение
механизмов
деградации
Разработка
рекомендаций
по оптимизации
технологии
6

7.

Тип
области
Рисунок 1. Топография поверхности наноструктуры
Рисунок 2. Карта контрольных точек СЗМ
Обозначение Координаты
(x, y), нм
Эталонная
E1
(90, 420)
Эталонная
E2
(420, 430)
Эталонная
E3
(110, 120)
Эталонная
E4
(400, 140)
Переходная
T1
(200, 310)
Переходная
T2
(250, 320)
Переходная
T3
(300, 290)
Дефектная
D1
(240, 260)
Дефектная
D2
(260, 240)
Дефектная
D3
(280, 260)
Описание
участка
Верхняя
левая
однородная
зона
Верхняя
правая
однородная
зона
Нижняя
левая зона
Нижняя
правая зона
Физическая
интерпретация
Стабильная
морфология,
отсутствие
дефектов
Равномерная
зернистость
поверхности
Базовый уровень
шероховатости
Контроль фоновой
неоднородности
Левая
Начало изменения
граница
рельефа
выделенного
квадрата
Верхняя
Рост локальной
часть
шероховатости
переходной
зоны
Правая
Выход из области
граница
неоднородности
переходной
зоны
Центр
Максимальная
выделенной структурная
области
неоднородность
Нижняя часть Локальное
дефектной
углубление/провал
зоны
Верхняя
Область
часть
повышенного
дефектной
контраста рельефа
зоны
7

8.

Экспериментальные данные профиля потенциала
(KPFM)
Рисунок 3. Карта распределения электрического потенциала
Расстояние, нм
0
5
10
15
20
23
25
27
29
31
33
35
38
45
55
65
Потенциал, мВ
420
435
440
435
430
420
390
320
250
180
120
70
50
40
25
10
8

9.

Рисунок 4. Карта локальной проводимости
Рисунок 5. Карта локальных токов утечки
Экспериментальные данные токов утечки
Локальная проводимость
Напряжение V, В
G (Point1), мкСм
G (Point2), мкСм
0.5
-16
0
1.0
-4
0
1.5
-0.7
0.7
2.0
0
5
Напряжение U, В
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Экспериментальные данные локальных ВАХ (C-AFM)
Напряжение V, В
0.0
0.5
1.0
1.5
1.8
2.0
Ток I (Point1), мкА
0
-8
-4
-1
0
0
Ток I (Point2), мкА
0
0
0
1
5
10
Напряжение U, В
Ток (дефект), A
1×10-11
5×10-11
2×10-10
8×10-10
3×10-9
7×10-9
1×10-8
Ток (норма), A
1×10-12
3×10-12
1×10-11
5×10-11
2×10-10
6×10-10
2×10-9
Логарифмические значения токов утечки
lnIдефект
lnIнорма
2.0
-25.3
-27.6
3.0
-22.3
-25.3
4.0
-19.6
-22.3
5.0
-18.4
-20.0
9

10.

Рисунок 6. Измерения локальных вольт-амперных характеристик
Для Vgs=3.5В
Vds, В
0.0
0.2
0.4
0.6
1.0
1.5
Id, А
0
0.15
0.35
0.40
0.42
0.43
Для Vgs=4В
Vds, В
0.0
0.2
0.4
0.6
1.0
1.5
Id, А
0
0.8
1.6
2.1
2.3
2.4
Для Vgs=5В
Vds, В
0.0
0.2
0.4
0.5
Id, А
0
1.8
3.0
3.5
Для Vgs=6В
Vds, В
0.0
0.2
0.4
0.5
Id, А
0
2.0
3.2
3.8
Для Vgs=0В
Vds, В
-1.0
-0.5
0
Id, А
-3.5
0
0
10

11.

Рисунок 7. Температурная зависимость тока
Логарифмическое представление температурной зависимости
Температура, K
298
323
348
373
398
lnIдефект
-13.8
-12.7
-11.5
-10.4
-9.2