DE10131058A1

DE10131058A1 - Verfahren zur Bestimmung des Schichtwiderstandes einer Oberflächenschicht

Info

Publication number: DE10131058A1
Application number: DE2001131058
Authority: DE
Inventors: Frank Wirbeleit
Original assignee: Zentrum Mikroelektronik Dresden GmbH
Current assignee: WIRBELEIT, FRANK, DR., 09599 FREIBERG, DE
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-02-13
Also published as: WO2003005003A1

Abstract

Der Erfindung, die eine Verfahren zur Bestimmung des Schichtwiderstandes einer Oberflächenschicht betrifft, bei dem die Oberfläche mit einem Signal beaufschlagt und dessen Wirkung gemessen und daraus der Schichtwiderstand errechnet wird, liegt die Aufgabe zugrunde, den Schichtwiderstand von Oberflächenschichten zerstörungsfrei und mit einer hohen lokalen Auflösung zu bestimmen. Dies wird dadurch gelöst, dass über das an sich bekannte Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke der Brechungsindex aufgenommen wird. Dieses Referenzsubstrat hat eine bekannte oder keine Dotierung. In einem zweiten Schritt wird über das gleiche Messverfahren der Kennlinienverlauf des zu bestimmenden Substrates aufgenommen. Beide Kennlinien werden miteinander verglichen. Der Abstand einander entsprechender Maxima der Kennlinie entspricht sodann der Stärke der Dotierung, d. h. der Differenz der Anzahl der freien Ladungsträger. Sie ist damit direkter Ausdruck des Schichtwiderstandes unmittelbar an der gemessenen Oberfläche (Fig.).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schichtwiderstandes einer, bei dem die Oberfläche mit einem Signal beaufschlagt und dessen Wirkung gemessen und daraus der Schichtwiderstand errechnet wird.
Die Bestimmung des Schichtwiderstandes ist erforderlich, um Prozesse zu kontrollieren. So werden Materialien, wie zum Beispiel Silizium, unterschiedlichen Dotierungen unterzogen, die den Schichtwiderstand ändern. Demzufolge liefert die Kenntnis des Schichtwiderstandes einen Rückschluss auf die Stärke der Dotierung und damit den Dotierungsprozess.
Gleiche Aussagen lassen sich auch für andere Parameter, wie beispielsweise die Morphologie, treffen.
Es ist bekannt, den Schichtwiderstand zu bestimmen, indem auf die zu messende Schicht mindestens zwei Messspitzen aufgebracht werden, die einen elektrischen Stromfluss durch das Material bewirken, der der direkten elektrischen Widerstandsmessung dient. Diese Messmethode ist dahingehend nachteilbehaftet, dass es sich zum einen nicht um eine zerstörungsfreie Messung handelt. Die Messspitzen dringen um einen Betrag in die Oberfläche ein und führen damit zur Zerstörung. Zum anderen wird das Integral des Schichtwiderstandes über die Messstrecke und die Schichtdicke gemessen. Das heißt, der Verlauf der Schichtkonzentration von der Oberfläche in das Material hinein bleibt unberücksichtigt. So findet der Profilverlauf keinen Ausdruck, ob das Dotierprofil an der Oberfläche sehr hoch ist und schnell abnimmt oder relativ gering ist und sehr weit in das Material hinein verläuft, oder nicht. Außerdem wird ein vergleichsweise großer Messfleck mit einer mechanischen Mindeststabilität benötigt.
Weiterhin ist es bekannt, Schichten mittels optischer Messverfahren in ihrer Dicke zu bestimmen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass eine Schicht bei Beaufschlagung mit Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen stets eine charakteristische Kennlinie aus Reflexionsgrad über der Wellenlänge, auch Brechungsindex genannt, aufweist. Der Reflexionsgrad einer Schicht über der Wellenlänge ändert sich nämlich periodisch, umgeben von einer Hüllkurve. Die Periodenlänge, das heißt, der Abstand der Maxima dieser Kennlinie, ist deutlich abhängig von der Dicke der mit dem Messlicht beaufschlagten Schicht, das heißt relativ dünne Schichten haben weit auseinander liegende Maxima dieser Kennlinie und dicke Schichten einen engeren Abstand.
Weiterhin ist es bekannt, dass sich der Reflexionsgrad von Substraten, die freie Ladungsträger aufweisen, über die Wellenlänge an einem signifikanten Punkt, der auch als Plasmakante bezeichnet wird, deutlich ändert. Im Bereich optischer Messung, d. h. im Sichtbereich, zeigen derartige Substrate einen hohen Reflexionsgrad ohne signifikante Änderungen. Dies entspricht auch der allgemeinen Lebenserfahrung, wonach beispielsweise Metalle ein optisches Spiegelverhalten zeigen. An dem genannten signifikanten Punkt im Bereich des infraroten Lichtes ändert sich dann der Reflexionsgrad schlagartig, so dass das Substrat sozusagen "durchsichtig" wird.
Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung des Schichtwiderstandes von Oberflächenschichten anzugeben, welches zerstörungsfrei und mit einer hohen lokalen Auflösung arbeitet.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Substratoberfläche eines Referenzsubstrates mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen λ beaufschlagt wird. Die relative Ladungsträgerzahl A_R in der Oberflächenschicht des Referenzsubstrates ist bekannt. Es weist einen dem Substrät entsprechenden Aufbau auf. Mit der Beaufschlagung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen λ wird der Brechungsindex des Referenzsubstrates, d. h. die Kennlinie aus Reflexionsgrad über der Wellenlänge λ ermittelt. Der Brechungsindex weist für das Referenzsubstrat n erste Maxima bei Wellenlängen λ_Rn(n = 1, 2, 3, . . .) und m erste Minima bei Wellenlängen λ_Rm(m = 1, 2, 3, . . .) auf. Die Substratoberfläche des Substrats, dessen relative Ladungsträgerzahl. A_S in der Oberflächenschicht unbekannt ist, wird mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen λ beaufschlagt und damit der Brechungsindex des Substrates ermittelt. Der Brechungsindex des Substrates weist für das Substrat n zweite Maxima bei Wellenlängen λ_Sn und m zweite Minima bei Wellenlängen X_Sm auf. Anschließend wird aus einem Vergleich der Brechungsindizes des Referenzsubstrates und des Substrates eine Differenz Δλ_n = λ_Rn- λ_Sn der Wellenlängen λ_Rn bei Auftreten der ersten Maxima entsprechenden zweiten Maxima oder eine Differenz Δλ_m = λ_Rm- λ_Sm der Wellenlängen λ_Rm bei Auftreten der ersten Minima und der Wellenlängen λ_Sm bei Auftreten der den ersten Minima entsprechenden zweiten Minima gebildet. Anschließend wird aus

A_S = ƒ(Δλ_n; A_R) oder A_S = ƒ(Δλ_m; A_R)

die relative Ladungsträgeranzahl A_S als proportionaler Ausdruck des Schichtwiderstandes ermittelt.
Durch dieses Verfahren wird über das herkömmliche Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke der Brechungsindex, d. h. der Kennlinienverlauf aus Reflexionsgrad über Wellenlänge eines Referenzsubstrates aufgenommen. Dieses Referenzsubstrat hat eine bekannte oder keine Dotierung, d. h., es weist eine bekannte Anzahl von freien Ladungsträgern auf. Der Begriff relative Ladungsträgeranzahl bedeutet, die Anzahl von Ladungsträgern bezogen auf eine Volumen- oder Masseeinheit des Substrates bzw. des Referenzsubstrates. Die Verwendung eines Referenzsubstrates wird üblicherweise zur Kalibrierung einer Messeinrichtung genutzt.
In einem zweiten Schritt wird über das gleiche Messverfahren der Kennlinienverlauf des zu bestimmenden Substrates aufgenommen. Beide Kennlinien werden miteinander verglichen. Der Abstand der einander entsprechenden Maxima der Kennlinie entspricht sodann der Stärke der Dotierung, d. h. der Differenz der Anzahl der freien Ladungsträger. Sie ist somit direkter Ausdruck des Schichtwiderstandes unmittelbar an der gemessenen Oberfläche.
Signifikant ist bei diesen erfindungsgemäßen Verfahren einerseits, dass die Messung zerstörungsfrei erfolgen kann. Außerdem kann die Bestimmung des Schichtwiderstandes in einem sehr lokal begrenzten Raum erfolgen. Es reicht hierbei nämlich bereits ein Lichtfleck geringsten Durchmessers aus, um den Schichtwiderstand genau an diesem Punkt zu bestimmen. Außerdem werden an die mechanische Stabilität des Messobjektes geringste Anforderungen gestellt.
In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die relative Ladungsträgeranzahl A_S zusammen mit einem empirisch ermittelten Faktor k ermittelt wird aus
Hierbei wird deutlich, dass eine direkte Beziehung zwischen der linearen "Verschiebung" der Maxima des Substrates bezüglich des Referenzsubstrates zu der Ladungsträgeranzahl besteht. Über entsprechende Kontrollmessungen nach herkömmlichen Methoden können durch den Faktor k entsprechende Korrekturen eingefügt werden, die die Genauigkeit des Messergebnisses erhöhen.
Bei einer hinreichend genauen Auswertung ist es zweckmäßig, dass der Faktor k auf k = 1 gesetzt wird. Anderenfalls spiegelt er spezifische Materialeigenschaften wider.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem Substrat, das eine Oberflächenschicht aufweist, ein Referenzsubstrat eingesetzt wird. Dieses Referenzsubstrat weist ebenfalls eine Oberflächenschicht auf, deren Schichtdicke D_R bekannt ist. Aus den Brechungsindizes werden eine erste Periodizität des Brechungsindexes des Referenzsubstrates P_R = λ_Rn - λ_{Rn - 1} oder P_R = λ_Rm - λ_Rm-1 und eine zweite Periodizität des Brechungsindexes des Substrates P_S = λ_Sn - λ_Sn-1 oder P_S = λ_Sm - λ_{Sm - 1} ermittelt wird. Die Schichtdicke des Substrates wird dann ermittelt aus der Funktion

D_S = ƒ(P_S; P_R; D_R)
Durch ein solches Verfahren wird es möglich, in einer Messung sowohl den Schichtwiderstand als auch die Dicke der Oberflächenschicht und die Dicke der dotierten Schicht zu messen. Ein typischer Fall bei der Anwendung in der Halbleitertechnik wäre Siliziumdioxid auf Polysilizium. Sodann kann bei einem Vergleich der Kennlinien zwischen dem Referenzsubstrat und dem zu bestimmenden Substrat eine Linearverschiebung der Maxima der Kennlinie zur Bestimmung des Dotierungsgrades und eine Veränderung der Periodizität, d. h. der Abstand der Maxima innerhalb der Kennlinie zur Bestimmung der Schichtdicke verwendet werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird die Schichtdicke des Substrats mit einem empirisch ermittelten Faktor j ermittelt aus
Der Faktor j kann mit Hilfe herkömmlicher Methoden im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden und dient dabei gegebenenfalls der Korrektur und damit der Erhöhung der Genauigkeit.
Bei hinreichender Genauigkeit ist es in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens möglich, dass der Faktor j = 1 gewählt wird. Anderenfalls ist es möglich, dass er spezifische Materialeigenschaften, gegebenenfalls bezogen auf das Referenzsubstrat, widerspiegelt.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Diagramm der Brechungsindizes eines undotierten Referenzsubstrates und zweier dotierter Substrate.
In der Zeichnung ist der Reflexionsgrad 1 eines Referenzsubstrates der Reflexionsgrad 2 eines ersten Substrates und der Reflexionsgrad 3 eines zweiten Substrates dargestellt. Der Reflexionsgrad 1 des Referenzsubstrates weist eine Periodizität P_R, d. h. einen Abstand einander benachbarter Maxima auf. In gleicher Weise weist der Reflexionsgrad 2 des ersten Substrats eine Periodizität P_S1 und der Reflexionsgrad 3 des zweiten Substrates P_S2 auf. Alle drei Periodizitäten P_R, P_S1 und P_S2 unterliegen ihrerseits wieder einer über die Wellenlänge λ ansteigenden Funktion. Der Anstieg der Periodizitäten P_S1, P_S2und P_R über die Wellenlänge λ ist ein Maß für die Dicke einer auf die zu messende Oberfläche aufgebrachten Schicht, die jedoch in diesem Ausführungsbeispiel nicht näher betrachtet werden soll.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind alle drei Kurven um einen Betrag linear zueinander versetzt, was der Stärke der unterschiedlichen Dotierung und damit dem unterschiedlichen Schichtwiderstand entspricht, wie nachfolgend näher erläutert wird.
Genau der Betrag der Verschiebung ist ein Maß für die relative Ladungsträgeranzahl A_S in dem jeweiligen Substrat bzw. für die Differenz der Ladungsträgeranzahl A_R und A_S1 oder A_S1 in dem Referenzsubstrat und dem ersten oder zweiten Substrat. Gebildet wird der Ausdruck der linearen Verschiebung für das erste Substrat durch die Differenz eines Maximums (oder Minimums, wie jedoch nicht weiter in dem Ausführungsbeispiel dargestellt) des ersten Substrats beispielsweise bei der Wellenlänge λ_S1,4, bei der das vierte Maximum des Reflexionsgrades 2 des ersten Substrates auftritt und einem entsprechenden Maximum (oder wie nicht weiter ausgeführt, bei einem Minimum) des Referenzsubstrates an der Wellenlänge λ_R4.Die daraus entstehende Differenz Δλ_1,4= λ_R4- λ_S1,4liefert ein Maß für die höhere Ladungsträgeranzahl A_R1 in dem ersten Substrat. Um zu einem absoluten Maß der Ladungsträgeranzahl A_S2 zu gelangen, wird die bekannte Ladungsträgeranzahl A_R mit der Differenz Δλ_1,4, die auf λ_S1,4 normiert ist, multipliziert. Damit ergibt sich die Ladungsträgeranzahl in dem Substrat zu
In gleicher Weise wird der Ausdruck der linearen Verschiebung für das zweite Substrat durch die Differenz eines Maximums (oder Minimums, wie jedoch nicht weiter in dem Ausführungsbeispiel dargestellt) des zweiten Substrats beispielsweise bei der Wellenlänge Δλ_2,4, bei der das vierte Maximum des Reflexionsgrades 3 des zweiten Substrates auftritt und einem entsprechenden Maximum (oder wie nicht weiter ausgeführt, bei einem Minimum) des Referenzsubstrates an der Wellenlänge λ_R4. Die daraus entstehende Differenz Δλ_2,4 = λ_{R4 -} λ_S2,4 liefert ein Maß für die höhere Ladungsträgeranzahl A_R2 in dem zweiten Substrat. Um zu einem absoluten Maß der Ladungsträgeranzahl A_S2 zu gelangen, wird die bekannte Ladungsträgeranzahl A_Rmit der Differenz λ_S2,4, die auf λ_S2,4 normiert ist, multipliziert. Damit ergibt sich die Ladungsträgeranzahl in dem Substrat zu
Im übrigen ist die Differenz der in Richtung zu einer höheren Wellenlänge folgenden Maxima Δλ_1,5 oder Δλ_2,5 gleich der Differenz Δλ_1,4 oder Δλ_2,4, da es sich ja, wie bereits erwähnt, um eine lineare Verschiebung der jeweils beiden Kennlinien zueinander handelt.
In dem Ausführungsbeispiel ist zu beachten, dass es bei dem verwendeten Dotierverfahren durch Diffusion unmöglich ist, einen geringen Oberflächenabtrag zu vermeiden. Daraus können die geringfügigen Änderungen in der Periodizität der dargestellten Messsignale erklärt werden. Bezugszeichenliste 1 Reflexionsgrad eines Referenzsubstrates
2 Reflexionsgrad eines ersten Substrates
3 Reflexionsgrad eines zweiten Substrates
P_R Periodizität des Reflexionsgrades 1
P_S1 Periodizität des Reflexionsgrades 2
P_S2 Periodizität des Reflexionsgrades 3
λ Wellenlänge
Δλ_S1,4; Δλ_S1,5 ;Wellenlänge eines Maximums des Reflexionsgrades 2
Δλ_S2,4; Δλ_S2,5 ;Wellenlänge eines Maximums des Reflexionsgrades 3
λ_R4; λ_R5 ;Wellenlänge des Maximums des Reflexionsgrades 1
Δλ_1,4; Δλ_1,5 ;Wellenlängendifferenz des ersten Substrates
Δλ_S2,4; Δλ_S2,5 ;Wellenlängendifferenz des zweiten Substrates

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Schichtwiderstandes einer Oberflächenschicht, bei dem die Oberfläche mit einem Signal beaufschlagt und dessen Wirkung gemessen und daraus der Schichtwiderstand errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Substratoberfläche eines Referenzsubstrates, dessen relative Ladungsträgeranzahl A_R in der Oberflächenschicht bekannt ist und das einen dem Substrat entsprechenden Aufbau aufweist, mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen K beaufschlagt und damit der Brechungsindex des Referenzsubstrates, d. h. die Kennlinie aus Reflexionsgrad über der Wellenlänge λ ermittelt wird, die für das Referenzsubstrat n erste Maxima bei Wellenlängen λ_Rn(n = 1, 2, 3, . . .) und m erste Minima bei Wellenlängen λ_Rm(m = 1, 2, 3, . . .) aufweist,
dass eine Substratoberfläche des Substrates, dessen relative Ladungsträgeranzahl A_S in der Oberflächenschicht unbekannt ist, mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen λ beaufschlagt und damit der Brechungsindex des Substrates ermittelt wird, die für das Substrat n zweite Maxima bei Wellenlängen λ_Sn und m zweite Minima bei Wellenlängen λ_Sm aufweist,
dass anschließend aus einem Vergleich der Brechungsindizes des Referenzsubstrates und des Substrates eine Differenz Δλ_n = λ_Rn- λ_Sn der Wellenlängen λ_Rn bei Auftreten der ersten Maxima und der Wellenlängen λ_Sn bei Auftreten der den ersten Maxima entsprechenden zweiten Maxima oder eine Differenz Δλ_m = λ_{Rm -} λ_Smder Wellenlängen λ_Rm bei Auftreten der ersten Minima und der Wellenlängen λ_Sm bei Auftreten der den ersten Minima entsprechenden zweiten Minima gebildet wird und
dass anschließend als proportionaler Ausdruck des Schichtwiderstandes die relative Ladungsträgeranzahl A_S ermittelt wird aus

A_S = ƒ(Δλ_n; A_R) oder A_S = ƒ(Δλ_m; A_R)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Ladungsträgeranzahl A_S mit einem empirisch ermittelten Faktor k ermittelt wird aus

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor k = 1 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Substrat, das eine Oberflächenschicht aufweist, ein Referenzsubstrat eingesetzt wird, das ebenfalls eine Oberflächenschicht aufweist, deren Schichtdicke D_R bekannt ist,
dass aus den Brechungsindizes eine erste Periodizität des Brechungsindexes des Referenzsubstrates P_R = λ_Rn - λ_Rn-1 oder P_R = λ_Rm - λ_Rm-1 und eine zweite Periodizität des Brechungsindexes des Substrates P_S = λ_Sn - λ_Sn-1 oder P_S = λ_Sm - λ_Sm-1 ermittelt wird, und
dass die Schichtdicke D_S des Substrates ermittelt wird aus

D_S = ƒ(P_S; P_R; D_R)

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke D_S des Substrates mit einem empirisch ermittelten Faktor j ermittelt wird aus

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faktor j = 1 ist.