Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) characterization of lanthanum lutetium oxide high-k dielectric thin films

Lanthanum lutetium oxide (LaLuO3) thin films were investigated considering their perspective application for industrial microelectronics. Scanning probe microscopy (SPM) techniques permitted to visualize the surface topography and study the electric properties. This work compared both the material properties (charge behavior for samples of 6 nm and 25 nm width) and the applied SPM modes. Particularly, Kelvin probe force microscopy (KPFM) was applied to characterize local potential difference with high lateral resolution. Measurements showed the difference in morphology, chargeability and charge dissipation time for both samples. The polarity effect was detected for this material for the first time. Lateral spreading of the charged spots indicate the diffusive mechanism to be predominant in charge dissipation. This allowed to estimate the diffusion coefficient and mobility. Using simple electrostatic model it was found that charge is partly leaking into the interface oxide layer.

Lantaani-lutetium-oksidiohutkalvoja (LaLuO3) tutkittiin erityisesti niiden käytettävyyden kannalta teollisessa mikroelektroniikassa. Pyyhkäisymikroskopian (SPM) avulla voitiin kuvantaa pinnan topografiaa ja tutkia sen sähköisiä ominaisuuksia. Työssä vertailtiin materiaalin ominaisuuksia (varauskäyttäytymistä 6 nm ja 25 nm leveillä näytteillä) sekä myös käytettyjä SPM:n eri toimintatiloja. Erityisesti käytössä oli kelvin probe force -mikroskopia (KPFM), jolla tutkittiin paikallisia potentiaalieroja tarkalla sivuttaistarkkuudella. Mittauksissa havaittiin eroja morfologiassa, varautuvuudessa ja varauksien haihtumisessa molemmissa näytteissä. Polaarisuusilmiö havaittiin ensimmäistä kertaa tämänkaltaisissa näytteissä. Jännitepisteiden sivuttainen leviäminen viittaa hallitsevien mekanismien olevan diffuusiivisia. Yksinkertaisen elektrostaattisen mallin avulla huomattiin varauksien osittain vuotavan rajapintakerrokseen.