DD215862A1 - Anordnung zur roentgendiffraktometrischen ermittlung von aenderungen des mittleren netzebenenabstandes in oberflaechennaehe von einkristallen - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist die Kontrolle der bei bestimmten Technologieschritten der Halbleiter-Bauelementefertigung auftretenden Ab- oder Anreicherung von Fremdstoffen in oberflaechennahen Bereichen des Halbleitermaterials, die zu Aenderungen des mittleren Netzebenenabstandes fuehren. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Roentgen-Mehrkristalldiffraktometer mit erhoehter Aufloesung aufzubauen. Diese Aufgabe wird durch verschiebbare Anordnung von Blenden unterschiedlicher Oeffnung vor dem Probenkristall und vor dem Detektor des Diffraktometers geloest.

Description

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Anordnung zur rontgendiffraktometrischen Ermittlung von iinde- rungen des mittleren lietzebenenabstandes in Oberflächennähe von Einkristallen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient zur Überwachung von Technologieschritten bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, in deren Ergebnis eine Änderung des mittleren Uetzebenenabstandes in Oberflächennähe einkristalliner Halbleitermaterialien erfolgt. Sie kann z. B,:zur Ermittlung und Kontrolle 'von Konzentrationsänderungen von Fremdstoffatomen in Oberfiächennähe relativ sum 'Volumen eingesetzt werden. ' . .

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Moderne Technologien zur Herstellung integrierter Halbleiterbauelemente beinhalten Prozeßschritte, die zu einer Abreiche-. rung oder Anreicherung bestimmter Fremdstoffe in Oberflächennähe führen. .

Da die Eigenschaften der Oberfläche und der oberflächennahen Schichten eines Halbleitermaterials wesentlich die Punktion des daraus hergestellten Bauelementes beeinflussen, sind weitgehende Kenntnisse über diese Bereiche erforderlich. Im Falle elektrisch aktiver Fremdstoffe ist die Ab- oder Anreicherung mit. elektrischen Methoden (Widerstandsmessungen, EBIC-mdde des HEM) feststellbar. In der Regel werden dazu jedoch Schrägschliffe benötigt. Die elektrischen Methoden arbeiten also nicht zerstörungsfrei. ·

Als zerstörungsfreie Methoden, die die Untersuchung der Anreicherung oder Anreicherung elektrisch aktiver und inaktiver Fremdstoffe gestatten, eignen sich röntgendiffraktoinetrische Verfahren, well die An- bzw, Anreicherung mit einer 'Änderung .der mittleren Gitterkonstante in diesen Bereichen verbunden ist. Durch Vergleich der gemessenen Reflexionskurven mit angepaßten theoretischen. Kurven kann eine annähernde Verteilungsfunktion z. 3. diffundierter Fremdatome ermittelt werden (A. Fukuhara and Y. Takano, Äcta Cryst.'A 33 (1977) 137). Die Empfindlichkeit dieser Methode reicht gegenwärtig bis A<i/d^ 10 .'Eine Erhöhung der !TachweisemDfindlichke,it auf ' Λ d/d ¹^ 10" , bis 10~^r ist'blsher mit dem Abätzen-der .Oberfläche" in Form eines Treppenprofils, verbunden (Y. Takano and M* Maki, "Semiconductor Silicon". The Electrochemical Society, 1973, p. 469).

Die 'angeführten bekannten Methoden erreichen entweder nicht die llachweisempfindlichkeiten, wie sie für moderne Technologie- ' schritte dieser Art notwendig sind, oder sie arbeiten nicht ,zerstörungsfrei und sind s'omit für eine direkte Qualitätskontrolle ungeeignet,-

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Ermittlung und Kontrolle der bei bestimmten Technologieschritten der Halbleiter-Bauelementefertigung, auftretenden Ab- oder Anreicherung von Fremdstoffen in oberflächennahen Bereichen des Halbleitermaterials.

Darlegung de's Wesens der Erfindung < . "

Ss ist bekannt, daß die Beugung von Röntgenstrahlen an den Hetzebenen perfekter Kristalle zu Interferenzen führt, wobei entsprechend der Bragg-sehen Gleichung Rauniwinkel und Wellenlänge der gebeugten Strahlung sowie der rietζebenenabstand in einer festen Beziehung zueinander stehen. Ändert sich der Netzebenenabs'tand bei gegebener Wellenlänge, so führt dies zu einer Winkelverschiebung der Bragg-Reflese. Sind die Schwankungen im Uetzebenenabstand größer als Ad/d-y 10""-⁵, so treten bei den -

Reflexionskurven, die man durch Drehung der Kristalle erhält und die den Bragg-Reflexen zugeordnet sind, charakteristische Änderungen im Profil auf, die durch einen Vergleich mit Modellrechnungen ge'deutet v/erden können, Schwankungen im He tzebenenabstand kleiner als der angegebene 7/ert können mit den bisher angewandten zerstörungsfreien diffraktometrisehen Verfahren nicht mehr aufgelöst v/erden, da infolge der 'Integration über ein größeres räumliches Gebiet die schwachen Informationenverloren gehen.

Ss ist deshalb Aufgabe, der Erfindung, ein Röntgen-Mehrkristalldiffraktometer so aufzubauen, daß es zum !Jachweis einer Änderung des mittleren Hetzebenenabstandes von der Größenordnung A d/d~ 10~° in antiparalleier Richtung zur Oberflächennormale geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Erhöhung der Auflösung dadurch erreicht, daß vor dem Probekristall und vor dem Detektor den Hutzstrahl begrenzende Blenden unterschiedlicher Ausmaße verschiebbar angeordnet werden· Der Probekristall selbst ist um eine Achse senkrecht zur Einfallsebene drehbar gelagert.

Die Blende mit der mindestens in den horizontalen Ausmaßen um mindestens eine Größenordnung kleineren öffnung steht vor dem Detektor. Bei ihrer Verschiebung von einem Rand des durch die Blende vor dem Kristall begrenzten Strahlenganges zum anderen wird eine getrennte Erfassung sowohl oberflächennaher Bereiche als auch der Gebiete möglich, die tief ins Volumen reichen.

Eine diffraktometrisehe Vermessung dieser' Gebiete ergibt für den Pail unterschiedlicher mittlerer Gitterkonstanten eine'Verschiebung der entsprechenden Reflexionskurven. Aus der Größe der Verschiebung läßt sich Λ d/d berechnen und bei Kenntnis der Art der Premdatome auf die entsprechende Konzentrationsänderung (Anreicherung oder Anreicherung) schließen. Bei entsprechender schrittweisen Abrasterung können für ein begrenztes Gebiet sowohl laterale als auch vertikale Profile von Schwankungen im Hetzebenenabstand erstellt werden. Durch asymmetrische Reflexion läßt sich die Eindringtiefe variieren.

Bei der Bewertung der Ergebnisse müssen nicht auf Ab- bzw. Anreicherung beruhende Einflußgrößen berücksichtigt werden, die ebenfalls auf den Netzebenenabstand einwirken, z. B. Krümmung und makroskopische Verspannung des Kristalls.

Den Reflexionskurv.en ,kann eine' diffuse Streuung überlagert sein, die durch Mikrodefekte in den Kristallen hervorgerufen wird. · '

Ausführungsbeispiei ' · ·. '.·..

Die Erfindung sei an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In Fig. 1 und Fig. 2 ist der Meßaufbau schematise]! dargestellt. Es^:wird die Grundanordnung des bekannten'Röntgen-Zweikristalldiffraktometers mit der Röntgenstrahlungsquelle 1 verwendet. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Aufbau wird im Strahlengang zwischen Kollimator 2 und Probe 3 eine Blende 4 angeordnet, die den Hutzstrahl und somit die ausgeleuchtete Fläche auf der-,Probe definiert begrenzt. Sine andere Blende 5, deren öffnung -mindestens in den horizontalen Ausmaßen eine Größenordnung'geringer als die von Blende 4 ist, befindet sich zwischen Probe und Detektor β* Steht ihre öffnung am Rand R des durch 31ende 4 -begrenzten Strahlenganges, so erhält man Informationen aus ,oberflächennahen Bereichen (Fig. 2), Wird Blende 5 so verschoben, daß sich, die Öffnung am Rand,L befindet, so registriert man Informationen aus dem Yolumen und oberflächennahen Bereichen. Bei Verwendung von.Strahlung mit hinreichend großer Eindringtiefe im Verhältnis zur Dicke der interessanten Zone dominieren in diesem Fall die .Informationen aus.dem Volumen der Probe. Werden in beiden Positionen Reflexionskurven registriert und liegt ein Unterschied im mittleren Netzebenenabstand zwischen oberflächennahen Bereichen und Volumen vor, so kann man eine Verschiebung der Reflexionskurven relativ zueinander feststellen.

Ein CZ-Si-Einkristall, bei dem gelöster Sauerstoff nach einem speziellen thermischen Verfahren aus oberflächennahen Bereichen extrahiert 'wurde , diente als Probekristall. An den zur' Oberfläche parallel liegenden Hetzebenen vom Typ I11 ij wurde

eine symmet iris ehe (444)-Reflexion mit Mo-K^ -Strahlung durchgeführt. Zur Kollimierung des llutzstrahls wurde ein asymmetrischer Kollimator 2 verwendet. Die öffnung der Blende 4 war kreisförmig und hatte einen Durchmesser von 1 ram, die von Blende 5 war schlitzförmig mit einer Spaltbreite von 0,1 mm« An den Rändern R und L (Pig. 2) wurden jeweils 5 Reflexionskurven aufgenommen und akkumuliert. Das Ergebnis ist in Pig. 3 aufgezeichnet. Nach Berücksichtigung von Krümmung und Drift des Kristalls ergibt sich ein Δά/d« 1,5 » 10~°, was einer Abreicherung an gelöstem Sauerstoff um eine Größenordnung von

"18 17 — 3

10 auf 10 Atome . cm entspricht. Die Abreicherung wurde ebenfalls indirekt durch die verminderte Bildung von Mikrodefekten mit EM und Ätzmethoden (Schrägschliff) nachgewiesen.

In Pig. 1 ist die Grundanordnung mit asymmetrischem Kollimator dargestellt. Ss ist aber auch ein symmetrischer Kollimator oder Rinnenkollimator einsetzbar. . .

Durch schrittweises Verschieben von Blende 5 kann ein iiefenprofil erstellt werden,, ein Lateralprofil erhält man, wenn die Position von Blende 4 verändert wird.

Durch asymmetrische Reflexion (z. B. streifender Einfall) läßt sich die Eindringtiefe variieren. ·

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Anordnung zur röntgendiffraktometrischen Ermittlung'von Änderungen des mittleren HetζebenenabStandes in Oberflächennähe von Einkristallen, bestehend aus einer Rb'ntgenstrahlungsquelle, einem Kollimator, einer drehbar; gelagerten Halterung für den Probenkristall und einem Detektor, gekennzeichnet dadurch, daß vor dem Probenkristall und vor dem Detektor den Nutzstrahl begrenzende Blenden mit unterschiedlicher Öffnung verschiebbar, angeordnet sind und daß die Öffnung der Blende vor dem Detektor· mindestens in den horizontalen Ausmaßen mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die öffnung der Blende vor dem Probenkristall.· -) '

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen