DD245265A1 - Verfahren zur abbildung von dotierungsstrukturen in mikroelektronischen bauelementen - Google Patents

Abstract

Es wird ein hochaufloesendes Abbildungsverfahren fuer Dotierungsstrukturen in mikroelektronischen Bauelementen auf der Grundlage der rasterelektronenmikroskopischen EBIC-Technik vorgestellt. Dabei wird auf das von den die Aufloesung begrenzenden Deckschichten befreite Halbleitersubstrat eine Metallschicht aufgebracht, die mit den unterschiedlich dotierten Gebieten je nach Leitungstyp eine die Signalsammlung bewirkende Schottkydiode oder ohmsche Kontakte zur Ableitung der an den probeneigenen pn-Uebergaengen induzierten Stroeme bildet und die eine solch hohe Elektronentransparenz besitzt, dass zur Abbildung kleinste Sondenenergien verwendbar und damit laterale Aufloesungen im Sub-Mikrometerbereich erreichbar sind. Auf diese Weise werden bei nur geringem Praeparations- und Untersuchungsaufwand anders nicht abbildbare Dotierungsstrukturen unabhaengig von ihrer Groesse und Lage im Bauelement zugaenglich, und das Verfahren kann als universelles, effektives Kontroll- und Messverfahren im Rahmen der Entwicklung, Fertigungskontrolle und Fehleranalyse an VLSI-Bauelementen eingesetzt werden.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur hochauflösenden bildlichen Darstellung der Dotierungsstrukturen in mikroelektronischen Halbleiterbauelementen, das im Rahmen der Struktur- und Fertigungskontrolle sowie zur Fehleranalyse eingesetzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für bestimmte Kontrollaufgaben bei der Entwicklung und Herstellung mikroelektronischer Halbleiterbauelemente ist neben elektrischen Messungen der lichtmikroskopischen Abbildung topografischer Strukturen eine direkte, hochaufgelöste bildliche Darstellung oder Ausmessung der in einem Halbleitersubstrat erzeugten Dotierungsstrukturen notwendig. Prinzipbedingt eignet sich dafür die Rasterelektronenmikroskopie (REM) in einem als EBIC-Verfahren (von Electron Beam Induced Current) bekannten speziellen Abbildungsmodus. Bei diesem Verfahren wird die Tatsache genutzt, daß ein Teil der von den hochenergetischen Primärelektronen (PE) der REM-Sonde im Halbleiter generierten Elektron-Loch-Paare durch das elektrische Feld von Sperrschichten in der Probe getrennt wird und damit beispielsweise an pn-Übergängen ein zu ihrer Abbildung verwendbares Bildsignal abgreifbar ist. Eine Übersichtsdarstellung von LEAMY zu dieser verbreiteten Technik ist z. B. in J. Appl. Phys. 53, R51-R80 (1982) zu finden.

In allen bisher bekannten Anwendungsfällen wird zur Darstellung der Dotierungsstrukturen in mikroelektronischen Bauelementen das an den jeweiligen probeneigenen pn-Übergängen induzierte und über das Leitbahnsystem des Bauelementes abgeleitete Stromsignal verwendet (im folgenden als Standardverfahren bezeichnet).

Eine Variante der Technik, die zur S ig na I erzeug u ng speziell präparierte O be rf I ächen-Schottkybarrieren verwendet, ist bisher nur zur Darstellung von Kristallinhomogenitäten wie Gitterdefekten oder züchtungsbedingten großflächigen Dotierungsschwankungen in nicht oder nur teilweise prozessierten! Material ohne eigene pn-Übergänge eingesetzt worden. Auch mit einem in DE 3235100 A1 zur Messung von Potentialen von vergrabener Festkörpersubstanz mittels ionisierender Strahlung vorgeschlagenen Verfahren sollten sich mit dem REM pn-Strukturen in Halbleiterbauelementen abbilden lassen. Bei diesem potentialempfindlichen Verfahren sind jedoch vor allem bei der Abbildung von Dotierungsgebieten ohne angelegte Sperrspannung aufgrund des speziellen Kontrastmechanismus wesentlich verminderte Empfindlichkeit und Abbildungskontraste im Vergleich zum Standard-EBIC-Verfahren zu erwarten, und es ist zur Erzielung einer verbesserten Auflösung ein erheblicher Präparationsaufwand erforderlich.

Die mit der EBIC-Technik erreichbare Bildauflösung wird nicht wie bei den Oberflächen-Abbildungsverfahren von der Sondenfokussierung, sondern primär von den Diffusionsvorgängen der RE und der induzierten Minoritätsladungsträger im Probenmaterial bestimmt, sie beträgt beim Standard-Abbildungsverfahren von Dotierungsstrukturen in Bauelementen in der Regel einige Mikrometer. Sie kann bis zu einer von Probenstruktur und-material bestimmten Grenze herab durch Verminderung der Sondenenergie verbessert werden. Notwendige Voraussetzung für die Abbildung ist jedoch, daß die nichthalbleitenden Deckschichten auf den interessierenden Gebieten noch von einem ausreichenden Anteil der Primärelektronen durchdrungen werden. Verschiedene Modifizierungen des Standardverfahrens durch teilweise Entfernung.von Deckschichten (z. B. Fensterätzung) oder Freilegung der Dotierungsstrukturen an Querschliff- oder Bruchflächen bei weiterer Verwendung des originalen Leitbahnsystems zur Signalableitung setzen jeweils eine geeignete Geometrie (Lage und Größe) der abzubildenden Strukturen voraus, sind z.T. präparativ aufwendig und ermöglichen eine hochauflösende Abbildung der Strukturen nur in wenigen Bereichen der Chipfläche oder an einzelnen, speziell für die Untersuchung hergestellten Modellstrukturen. Das gleiche gilt ebenso für die Variante, mittels feinster Kontaktspitzen von einzelnen ausreichend großen Dotierungsgebieten ein EBIC-Signal abzuleiten, wenn an großflächig von den Deckschichten befreiten Strukturen zwangsläufig auch die Leitbahnen entfernt worden sind. Alle diese Varianten sind daher nicht als effektives Kontrollverfahren an hochintegrierten Strukturen einsetzbar.

Bei der Abbildung mikroelektronischer Dotierungsstrukturen ergeben sich die Grenzen bzw. Einsatzbeschränkungen des Standard-EBIC-Verfahrens an den heutigen und verstärkt an künftig interessierenden VLSI-Strukturen aus den folgenden Nachteilen: . ·

a) Der Hauptnachteil ist die Begrenzung der minimal erreichbaren lateralen Auflösung auf einen Wert, der näherungsweise der Gesamtdicke der von den PE zu durchdringenden Deckschichten (Passivierungs-, Zwischenisolations- und Leitbahnschichten) entspricht. Die durch verwendung extrem kleiner Sondenenergie (unter 5keV) gerätetechnisch mögliche Minimierung des PE-Diffusionsbeitrages zur Abbildungsbreite ist nicht ausschöpfbar. Das führt vor allem bei der Abbildung von höchstintegrierten Strukturen in VLSI-Bauelementenzu starken Beschränkungen, da die Dimensionen der abzubildenden Dotierungsstrukturen ^m/Sub^m-Bereich) hierz.T. wesentlich unter der Deckschichtdicke liegen und dann unter keinen experimentellen Bedingungen mehr auflösbar sind. . .

b) Ein weiterer wesentlicher Nachteil auch an größeren, noch auflösbaren Strukturen besteht darin, daß der Absorptionskontrast der inhomogen strukturierten Deckschichten (infolge von unterschiedlicher Dicke, Dichte sowie von Kanten und Stufen) die Erkennbarkeit der Dotierungsstrukturen stark beeinträchtigt und insbesondere quantitative Auswertungen (Ausmessung der.Strukturen) erschwert.

c) Über das Leitbahnsystem ist nur von einem Teil der Dotierungsstrukturen direkt oder noch indirekt üer leitfähige Funktionselemente (Transistoren, Widerstände) eine EBIC-Signalableitung möglich, ein großer Teil der Chipfläche kann in der Regel nicht untersucht werden.

d) Bei allen bisher praktizierten Varianten (Standardverfahren einschließlich der angeführten Modifikationen) besteht die Gefahr bestrahlungsinduzierter Veränderungen der EBIC-Signale durch Aufladung von Oxid-, Grenzflächen- oder Oberflächenzuständen. Dadurch werden wiederum vor allem quantitative Auswertungen von Abbildungen und Signalprofilen beeinträchtigt oder z.T. unmöglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein hochauflösendes REM-EBIC-Verfahren für die Abbildung der Dotierungsstrukturen in mikroelektronischen Halbleiterbauelementen, welches den Anwendungsbereich der EBIC-Technik erweitert und als universelles und effektives Kontrollverfahren im Rahmen der Entwicklung, Herstellung und Fehleranalyse an LSI- und VLSI-Strukturen eingesetzt werden kann. *

Wesen der Erfindung

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein universell einsetzbares EBIC-Verfahren zu entwickeln, mit dem eine hochaufgelöste Abbildung von Dotierungsstrukturen in Halbleiterbauelementen ohne die aus der Existenz der nichthalbleitenden Deckschichtstrukturen resultierenden Einsatzbeschränkungen des bisher verwendeten Standardverfahrens möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf die durch Entfernen aller Deckschichten freigelegten Halbleiteroberfläche eine großflächige homogene Metallschicht mit einer im Vergleich zum ursprünglichen Schichtsystem um mindestens 1-2 Größenordnungen höheren Elektronentransparenz aus einem solchen Material aufgebracht wird, daß diese Schicht mit dem geringer dotierten Substratmaterial eine Schottkybarriere bildet und zu den Dotierungsstrukturen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nichtsperrende Kontakte entstehen. Die Metallschicht besitzt somit eine zweifache ^ Funktion. Einerseits ermöglicht sie die Ableitung der an den pn-Übergängen zwischen den kontaktierten Dotierungsstrukturen und dem Substrat induzierten EBIC-Signale, andererseits ermöglicht die Schottkybarriere erst eine Signalentstehung in den Gebieten außerhalb der pn-Diodenstrukturen. Der besondere Vorteil dieser Variante der Signalsammlung und -ableitung besteht darin, daß aufgrund der hohen Elektronentransparenz der Metallschicht die an vollständigen Bauelementen nur sehr begrenzt mögliche Minimierung der lateralen Auflösung durch Verwendung sehr kleiner Sondenenergie (unter 5keV) bis an die gerätetechnisch bedingte Grenze getrieben werden kann. Weiterhin können gleichzeitig alle Dotierungsstrukturen eines Bauelementes unabhängig von ihrer Lage und Größe abgebildet werden, so daß insbesndere anders nicht kontaktierbare sehr kleine dotierte Strukturen in LSI- und VLSI-Bauelementen (d.h. bis in den Sub-Mikrometerbereich) der Untersuchung zugänglich werden. Weitere Vorteile sind der vergleichsweise geringe Präparationsaufwand, das Fehlen von störenden Absorptionskontrasten der Deckschichten und die Stabilisierung der Potentialverhältnisse an den die EBIC-Signalentstehung beeinflussenden Grenzflächen gegenüber bestrahlungsinduzierten Veränderungen. Letzteres verbessert besonders die Möglichkeiten quantitativer Auswertungen der EBIC-Signale z. B. zum Zweck der hochgenauen Ausmessung von . Dotierungsstrukturen.

Ausführungsbeispiel

In Abb. 1 a ist schematisch ein Querschnitt durch eine gemäß der Erfindung präparierte Probe am Beispiel eines n-Kanal-Anreicherungstrasistors als Grundelement von hochintegrierten MOS-Schaltkreisen gezeigt. In einem p-leitenden Substrat bilden die stark dotierten n⁺-Bereiche 2 als Source- bzw. Draingebiete gemeinsam mit dem p⁺-dotierten Kanalbereich 3 einen Transistor, von dem alle Deckschichten (Steuerelektrode, Kontakt- und Isolationsschichten) entfernt und durch die homogene Metallschicht 4 — hier aus Aluminium bestehend —-ersetzt wurden. Zu den p-leitenden Substratgebieten 1 und dem Kanalbereich 3 bildet diese Al-Schicht eine Schottky-Barriere, deren Raumladungszonenbreite (RLZ) von der lokalen Dotierungsstärke abhängt; zu den n⁺dotierten Source- bzw. Draingebieten 2 entsteht ein ohmscher Kontakt. Die oberflächennahe RLZ der Schottkydiode und die RLZ zwischen den kontaktierten n⁺-Gebieten 2 und dem Substrat 1 bilden eine zusammenhängende RLZ 5 im gesamten von der Al-Schicht bedeckten Bereich mit lokal unterschiedlicherTiefenlage und Ausdehnung, die zur Ladungssammlung bei der REM-EBIC-Abbildung dient.

Abb.1 b zeigt dazu schematisch das EBIC-Signal bei derAbrasterungderin 1 a gezeigten Struktur mit der Elektronensonde 7, wie es zwischen der dann kontaktierten AI-Schicht 4 und dem Rückseitenkontakt 6 abgegriffen wird. Die Signalunterschiede zwischen den einzelnen Gebieten, d.h. die Bildkontraste resultieren aus der jeweils unterschiedlichen Tiefenlage und Ausdehnung der . ladungssammelnden RLZ 5 sowie den Unterschieden in der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer in den einzelnen Bereichen; sie können über die Energie der PE-Sonde7 beeinflußt und für die jeweilige Probengeometrie optimiert werden.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur hochauflösenden Abbildung von Dotierungsstrukturen in mikroelektronischen Bauelementen mit der REM-EBIC-Technik, gekennzeichnet dadurch, daß die die Auflösung begrenzenden strukturierten Deckschichten entfernt werden und zur Signalsammlung und -ableitung auf die freigelegte Halbleiteroberfläche eine homogene Metallschicht aus einem solchen Material aufgebracht wird, das mit geringer dotierten Halbleitersubstrat einen Schottky-Kontakt und mit den Dotierungsstrukturen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nichtsperrende Kontakte bildet und die eine solch hohe Elektronentransparenz besitzt, daß die laterale Auflösung der Abbildung durch Verminderung der REM-Sondenenergie bis nahe an die gerätetechnisch gegebene Grenze verbessert werden kann.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht für die Untersuchung von MOS-Bauelementen der n-SGT-Technik aus Aluminium besteht.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht für die Untersuchung von MOS-Bauelementen der p-Kanal- und der CMOS-Technik aus Gold besteht.