DD228936A1 - Verfahren zur messung an halbleiterscheiben mit teststrukturen - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Messung an Halbleiterscheiben mit Teststrukturen ist in der Prozesskontrolle im Zyklus 1 des Fertigungsprozesses von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen und in der Labormesstechnik fuer Forschung und Entwicklung zur Halbleitertechnologie einsetzbar. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, mit geringem technologischem Aufwand die Qualitaet der Prozesskontrollmessung zu verbessern und ihren Zeitaufwand zu verringern, wobei die fuer die durchzufuehrende Messung notwendige Eigenschaft der Halbleiteroberflaeche in der Umgebung der Halbleiterteststruktur gezielt, reversibel und ohne zusaetzliche Verunreinigungen erzeugt wird. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem eine Halbleiterscheibe mit Teststrukturen vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, deren Polaritaet vom Messverfahren und vom Dotierungstyp der Halbleiterscheibe abhaengig ist. In der Umgebung der Teststrukturen wird eine Isolatorfeldstaerke unterhalb 4 MV/cm erzeugt.

Description

Verfahren zur Messung an Halbleiterscheiben mit Teststrukturen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren zur Messung an Halbleiterscheiben und Teststrukturen ist in der Prozeßkontrolle im Zyklus 1 des Fertigungsprozesses von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen und in der Labormeßtechnik für Forschung und Entwicklung zur Halbleitertechnologie einsetzbar.

Charakteristik.der bekannten technischen Lösungen

Der Metall-Isolator-Halbleiter(MIS)-Kondensator ist neben pn-Übergangen eine Teststruktur, die besonders empfindlich vom elektronischen Zustand der benachbarten Halbleiteroberfläche abhängt. Ist diese im Zustand der starken Inversion, können aus der HF-Kapazitäts-Spannungs-Messung keine exakten Vierte für die Halbleiterdotierung und Grenzflächenladungen gewonnen werden. Die Bestimmung der Minoritätsträgerlebensdauer ist dann überhaupt nicht möglich.

Zur Vermeidung dieser Probleme ist die Verwendung eines Schutzringes bekannt. Der Schutzring benötigt aber zusätzliche Testfeldfläche und eine zusätzliche Kontaktierungsinsel. Wird der Schutzring im Testfeldentwurf eingespart, können aus den oben genannten Gründen zahlreiche MIS-Kondensatoren nicht erfolgreich meßtechnisch bewertet werden.

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Wird die metallische Deckelektrode durch eine selbsttragende Schablone aufgedampft, ist die Realisierung eines geschlossenen Schutzringes überhaupt nicht möglich. Ähnliches gilt für die Verwendung einer Quecksilberelektrode. Die in der Prozeßkontrolle häufig angewandten Quecksilbersonden besitzen meist keinen Schutzring, weil dessen technische Realisierung dort sehr aufwendig ist.

Pur diese Sonden ist ein Verfahren zur Veränderung des Zustandes der benachbarten Halbleiteroberflächen bekannt (DD-WP 211 462). Auf die Oberfläche der Teststruktur wird feuchter Stickstoff geblasen. An der-Deckelektrode des MIS-Kondensators-(z.B. Quecksilber) liegt dabei Anreieherungspotential. Die benachbarte Oxidoberfläche wird durch die Befeuchtung etwas leitfähig und gleicht ihr Potential dem der Deckelektrode an. Dabei kommt die benachbarte Halbleiteroberfläche in den günstigen Zustand der sogenannten Anreicherung. Dieser günstige Zustand muß aber vor der Messung durch Beblasen der benachbarten Oberfläche der Teststruktur mit trockenem Stickstoff stabilisiert werden.

Dieses Verfahren besitzt praktisch erhebliche Nachteile. Bei der Befeuchtung der Isolatoroberfläche in der Umgebung der Teststruktur kann es sehr schnell zur Verunreinigung mit Alkaliionen kommen. Werden danach Messungen zur Bestimmung der Alkai!verunreinigung (z.B. TVS-Messung) durchgeführt, sind die Meßwerte verfälscht. Ebenso besteht bei bestimmten Proben die Gefahr der irreversiblen Erhöhung der Oberflächenleitfähigkeit, was nachfolgende hochohmige Messungen (z.B. quasistatische C,V-Messung) verhindert.

In der Prozeßmeßtechnik ist es üblich, ein gleichmäßiges Raster von Teststrukturen auf der Halbleiterscheibe anzuordnen und diese zur Messung auf einem automatischen "wafer prober" nacheinander zu kontaktieren. Wollte man das Verfahren der Befeuchtung hier anwenden, müßte die Befeuchtung und

anschließende Trocknung für jede Teststruktur wiederholt werden. Dieser Zeitaufwand ist für Routinemessungen nicht akzeptabel .

Ein anderes Verfahren, das insbesondere bei Testfeldern genutzt wird, ist die gezielte Implantation der die Teststruktur umgebenden Halbleiteroberfläche (Feldimplantation). Damit wird erreicht, daß diese Oberfläche bei normalen Ladungsverhältnissen kaum in den Zustand der Inversion kommt. Nachteilig ist dabei der zusätzliche Implantationsschritt, besonders bei Kontrollscheibenmessungen u.a. Außerdem kann bei großen Oxidladungsdichten bzw. Oxidaufladungen doch noch eine Inversion der Halbleiteroberfläche auftreten sowie nach der Testfeldpräparation der Zustand der benachbarten Halbleiteroberfläche nicht mehr zu Meßzwecken beliebig umgekehrt werden,

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit geringem technologischem Aufwand im Zyklus 1 der Mikroelektronik-Fertigung die Qualität der Prozeßkontrollmessung zu verbessern und ihren Zeitaufwand zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für die durchzuführende Messung notwendige Eigenschaft der Halbleiteroberfläche (Anreicherung oder Inversion) in der Umgebung der Halbleiterteststruktur gezielt, -reversibel und ohne zusätzliche Verunreinigung zu erzeugen und damit eine fehlerfreie Parameterbestimmung für unterschiedliche Meßprobleme zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Halbleiterscheibe mit Teststrukturen vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, deren Polarität vom Meßverfahren und vom Dotierungstyp der Halbleiterscheibe abhängig ist.

In der Umgebung der Teststrukturen wird eine Isolatorfeldstärke unterhalb 4 MV/cm erzeugt. Danach kann die Parametermessung an den Teststrukturen ungestört durchgeführt werden.

Zur Erzeugung der Koronaentladung befindet sich gegenüber der Oberfläche der Halbleiterscheibe mit Te ststrukturen eine Koronaelektrode, während die Halbleiterscheibe, auf einem metallischen Tisch liegend, die Gegenelektrode bildet. Die Koronaentladung kann in einer Entladungskapsel oder direkt in der abgeschirmten Meßzelle realisiert werden.

Die infolge der Koronaentladung auf der Isolatoroberfläche zwischen den Teststrukturen angelagerten Ladungen erzeugen in Abhängigkeit vom Dotierungstyp der Halbleiterscheibe und von der Polarität der Koronaentladung an der Halbleiteroberfläche Anreicherung bzw. Inversion. Der Dotierungstyp wird von der Polarität der Majoritätsladungsträger der Halbleiterscheibe bestimmt. Ist die Polarität der auf der Isolatoroberfläche angelagerten Ladungen entgegengesetzt zur Polarität der Majoritätsladungsträger, wird Anreicherung an der Halbleiteroberfläche erzeugt, sonst Inversion.

Bestehen die Teststrukturen, aus Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren, an denen Hochfrequenzkapazitätsmessungen durchzuführen sind, muß die Koronaentladung eine Polarität entgegengesetzt zur Polarität der Majoritätsladungsträger aufweisen. Die entstehende Anreicherung beseitigt Inversionsladungsträger in der Umgebung der Teststruktur, die mit dem MIS-Kondensator wechselwirken könnten.

Die Polarität der Ladungen, die auf der Isolatoroberfläche angelagert werden, stimmt mit der Polarität der Koronaelektrode überein und wird als Polarität der Koronaentladung bezeichnet. ' -

Wird für eine weitere Messung die umgekehrte Aufladung der Oberfläche benötigt, so kann diese mittels Koronaentladung umgekehrter Polarität erzielt werden. Strom und Dauer der Entladung sind so zu begrenzen, daß die gleichzeitig aufgeladenen

Te ststrukturen nicht geschädigt werden. Die richtig bemessene Koronaentladung führt weder zu Alkaliverunreinigungen noch zu Veränderungen der Oxid- und Grenzflächeneigenschaften.

Bestehen die Teststrukturen aus Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren, an denen quasistatische, statische oder Έiederfrequenz-Kapazitäts-Spannungs-Messungen durchzuführen sind, muß die Koronaentladung die Polarität der Majoritätsträger der Halbleiterscheibe besitzen. Dadurch entsteht an der Halbleiteroberfläche in der Umgebung der Teststruktur Inversion. Diese Inversionsladungsträger beschleunigen durch Y/echselwirkung mit der Teststruktur die Gleichgewichtseinstellung wesentlich. Die Messung kann schneller durchgeführt werden, wobei der Meßfehler geringer ist als ohne diese Aufladung.

Enthalten die Teststrukturen umdotierte Gebiete der Halbleiterscheibe, an denen Strom-Spannungs-Messungen durchzuführen sind, muß die Koronaentladung eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Majoritätsladungsträger aufweisen. So wird durch Anreicherung zwischen den umdotierten Gebieten die Ausbildung von Inversionskanälen entlang der Halbleiteroberfläche und damit ein Strom-Nebenschluß verhindert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen zum MIS-Kondensator näher erläutert.

Es zeigen 5"ig. 1 einen MIS-Kondensator nach der Aufladung für

eine Hochfrequenzkapazitätsmessung und

Pig. 2 einen MIS-Kondensator nach der Aufladung,

beispielsweise für eine quasistatische C, V-Messung.

Zur Messung liegt eine oxydierte p-Typ-Siliciumscheibe l · (SiC^-Dicke 70 mn) vor, die unter Verwendung einer Maske mit Deckelektroden 3 (Durchmesser 300/um) aus Aluminium bedampft

wurde. Durch Hoch.frequenz(HF)~Kapazitäts-Spannungs(G,V)-Messung sind Dotierung, Plachbandspannung, Midgap-Spannung und die zugehörigen Ladungen zu bestimmen. Mittels Kapazitäts-

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Zeit (C,t)-Messungen soll die Volumengenerationsrate bzw. die Minoritätsträgerlebensdauer ermittelt werden.

Erste Messungen ergeben, daß die HP-Kapazität in der Inversion mit zunehmender Spannung ansteigt, weil in der Umgebung der Deckelektrode 3 die Siliciumoberfläche invertiert ist (Fig. 2). Alle gesuchten Größen können so nicht fehlerfrei bestimmt werden.

Zur Beseitigung dieser Probleme wird die Siliciumscheibe 1 auf einen metallischen Probentisch in einer Koronaentladungsbox gebracht. An die 2 cm über der Siliciumscheibe 1 befindliche Koronaspitze wird für 10 s eine negative Spannung von

4 kV gegenüber dem Probentisch gelegt, wobei der Entladungsstrom auf 0,3/UA eingestellt wird. Dabei erreicht die Oberfläche der SiOo-Schicht 2 durch die Oberflächenladüngen 4 ein Potential von -10 V gegenüber dem Silicium, und eine Anreicherungsschicht 6 entsteht (Pig. 1). Bei normaler Oxidqualität und gewöhnlicher Laborluft hält dieser Zustand mindestens einige Tage an, und die vorgesehenen Messungen können fehlerfrei durchgeführt werden.

Nach der HP-C,V-Messung soll eine quasistatische C,V-Messung erfolgen, um das Spektrum der umladbaren Grenzflächenzustände über den gesamten Energiebereich der "verbotenen Zone" zu erhalten. Die zuvor bestimmten Werte für Dotierung und Plachbandspannung werden zur Berechnung mit benötigt. Die quasistatische C,V-Messung mit der minimalen Spannungsrate von

5 mV/s erreicht im Inversionsbereich kein Gleichgewicht, weil die Volumengenerationsrate sehr klein ist und durch die vorherige Koronaaufladung keine Minoritätsträger aus dem die Deckelektrode 3 umgebenden Siliciumoberflächenbereich zur Verfügung stehen. Eine weitere Verringerung der Spannungsrate ist

nicht möglich, weil das Signalrauschen zu groß wird. Die Messung wäre so nicht erfolgreich.

Zur Abhilfe erfolgt die Umladung der Scheibenoberfläche in der oben genannten Koronabox mit einer positiven Spannung von reichlich 4 kV an der Koronaspitze, wobei der Strom für 20 s auf 0,4/UA eingestellt wird. Dabei erreicht die Oberfläche der SiO₂-Schicht 2 durch die Oberflächenladungen 4 ein Potential von + 10 V gegenüber dem Silicium. Dieses Potential wurde mit Hilfe einer schwingenden Kelvinelektrode über der aufgeladenen SiOp-Oberflache bestimmt. Die positiven Oberflächenladungen 4 (Fig. 2) rufen in der Umgebung der Deckelektrode 3 eine Inversionsschicht 5, bestehend aus Minoritätsladungsträgern hervor. Diese Ladungsträger beschleunigen durch Wechselwirkung mit dem ließgebiet die Gleichgewichtseinstellung wesentlich. Die quasistatische C,V-Messung kann jetzt mit einer Spannungsrate von 60 mV/s bei einem stabilen rauscharmen Meßsignal durchgeführt werden. In der Zeit, in der auf diese Weise 40 bis 50 Testkondensatoren meßbar sind, können ohne die positive Koronaentladung mit der Spannungsrate 5 mV/s nur 3 bis 5 Kondensatoren erfaßt werden, wobei noch erhebliche Meß- und Auswertungsfehler auftreten.

Die quasistatische C ,V-Messung kann auf diese Weise als Routinemeßverfahren genutzt werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel befindet sich auf einer p-Siliciumscheibe (10Q cm, (100) ) eine Testfeldpräparation, die u.a. eine Reststrommeßstruktur zur Kontrolle einer Source/ Drain-Implantation enthält. Diese Teststruktur besteht aus einem mittels Arsen-Implantation umdotierten Halbleitergebiet von 200,um χ 200,um mit einer Sindringtiefe von 0,3,um. Es ist mit Polysilicium kontaktiert. Der Reststrom dieses p-n-Überganges ist zii messen und statistisch auszuwerten. Die Teststruktur besitzt keinen Schutzring. Messungen an anderen Teststrukturen zeigen an, daß die Halbleiteroberfläche im Feldbereich zwischen den Teststrukturen invertiert sein kann

und die Reststrommessung beeinflußt. An einer einzelnen Teststruktur wird bei +15 "V an dem undotierten Gebiet ein Strom von 530 pA gemessen. Nach einer negativen Aufladung dieser Halbleiterscheibe mit 0,3/UA bei 4 kV für 20 s geht dieser Strom auf 75 pA zurück. Nach Portsetzung der Aufladung für 10 s ergibt sich keine weitere Abnahme des Stromes. Die Inversion in der Umgebung der Teststruktur ist beseitigt. Nun wird die Scheibe mit einem automatischen Testsystem abgetastet und bewertet. Ohne die Aufladung waren die Restströme durch Inversionskanäle an der Halbleiteroberfläche verfälscht.

Claims (4)

- 9 Patentanspruch

1. Verfahren zur Messung an Halbleiterscheiben mit Teststrukturen, deren Punktion vom elektronischen Zustand der benachbarten Halbleiteroberfläche abhängt, wie z.B. MIS-Kondensatoren, Reststrommeßstrukturen sowie Kontaktketten zwischen Halbleitersubstrat und Metallisierung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiterscheibe mit Teststrukturen vor der Messung einer Koronaentladung ausgesetzt wird, deren Polarität vom Meßverfahren und vom Dotierungstyp der Halbleiterscheibe abhängig ist und in der Umgebung der TestStrukturen eine Isolatorfeldstärke unterhalb 4 MV/cm erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teststrukturen aus Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren bestehen, die Koronaentladung eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Majoritätsladungsträger der Halbleiterscheibe aufweist und Hochfrequenzmessungen durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die TestStrukturen aus Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatoren bestehen, die Koronaentladung die Polarität der Majoritätsladungsträger der Halbleiterscheibe besitzt und quasistatische, statische oder Niederfrequenz-Kapazitäts-Spannungs-Messungen durchgeführt werden.

4· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teststrukturen umdotierte Gebiete der Halbleiterscheibe enthalten, die Koronaentladung eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Majoritätsladungsträger der Halbleiterscheibe aufweist, und Strom-Spannungs-Messungen durchgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung